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            嵌段共聚物及高分子纳米复合物结构和动力学的计算机模拟文献综述研究

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2018-03-08 论文字数:34757字
            论文编号: sb2018030819320319966 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
            本文是一篇文献综述,文献综述根据研究的目的不同,可分为基本文献综述和高级文献综述两种。基本文献综述是对有关研究课题的现有知识进行总结和评价,以陈述现有知识的状况。
            本文是一篇文献综述,文献综述根据研究的目的不同,可分为基本文献综述和高级文献综述两种。基本文献综述是对有关研究课题的现有知识进行总结和评价,以陈述现有知识的状况;高级文献综述则是在选择研究兴趣和主题之后,对相关文献进行回顾,确立研究论题,再提出进一步的研究,从而建立一个研究项目。(以上内容来自百度百科)今天硕博网为大家推荐一篇文献综述,供大家参考。
             
            第一章 绪 论
             
            计算机模拟技术在诞生以来,为人们研究自然规律提供了重要的手段。而材料科学自建立以来一直深深地影响着国民经济的发展和人们日常生活的进行,作为材料科学一个重要分支的纳米材料科学更是极大地促进和推动了人们的生产生活。嵌段共聚物体系和纳米复合物体系为纳米材料科学提供了重要的物质基础。熔融态下和溶液中的嵌段共聚物都可以自组装(self-assembling)形成丰富有序的纳米结构[1],这些有序结构在药物释放[2],纳米印刷[3, 4]和太阳能电池[5]等前沿领域具有非常广阔的应用前景。而对于纳米复合材料,纳米粒子的加入很大程度地提高了原有单一高分子材料的各项性能,促进了纳米材料科学的发展,满足了人们的日常生活需求。分子动力学模拟技术为人们研究材料科学提供了很好的实用工具。它相较于实验手段省时、省力、省资源,并且可以得到微观分子的运动图像,提出微观尺度的分子机理。而具备多尺度模型的分子动力学模拟为人们研究体系的不同时间和空间尺度问题提供了必要的条件,也吸引着很多模拟工作者的关注。在材料科学领域,嵌段共聚物微观相分离自组装形成的各种有序结构在人们的生产生活中具有很广泛的应用。利用层状结构可以在基体材料中加工出纳米尺度的凹槽,利用两嵌段间的可加工性制备出综合性能优良的结构材料,如 ABS等。利用嵌段共聚物和接枝型共聚物共混具有类似表面活性剂的性质,可以应用到诸多工业产品的生产中去,例如泡沫(foams)材料,压敏黏合剂(pressuresensitive-adhesive),抗高冲击性塑料(high impact plastics)等。另外,嵌段共聚物作为一种研究自组装行为的理想模型,无论理论还是实验上,科学家们都开展了大量的研究工作,并取得了很有价值的成果。Helfand,Leibler[6],Fredrickson[7],Matsen 和 Schick 等人[8]的工作完善了嵌段共聚物在本体中发生微相分离的热力学理论。1990 年,Bates 和 Fredrickson[9]在综述中全面的总结了已有的成果。到 2017 年中为止,该篇论文已被引用 3300 余次,可见嵌段共聚物相分离行为在科学界的研究地位。
             
            1.1 计算机模拟技术简介
            在计算机模拟技术出现之前,人们探索自然规律的主要手段是实验和理论预测。实验手段即通过大量的物理、化学等实验方法对真实体系进行科学研究,验证或得出某些自然规律性的成果,进一步指导人们的生产生活。而以构建简单数学模型为基础的理论预测方法,在一定条件下可以描述体系的行为,并要求模型有解。但对于材料科学而言,往往需要处理大量粒子的相互作用,而只通过求解多粒子运动方程组来分析最终结构,纯粹依靠人力几乎是不可能完成的,这时候计算机模拟技术的优势便凸显出来了。在美国的宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子计算机,紧随其后出现了计算机模拟技术。最早关于计算机模拟技术的记录可以追溯到 1953 年对于液体分子的模拟。随着计算机计算能力的日益强大,计算机模拟技术也得到了飞速发展,使得许多用传统方法不能解决的问题得以解决。计算机模拟作为一门新近崛起的交叉学科,逐步发展成为理论和实验都不可替代的科学研究工具[10-12]。相较于实验而言,计算机模拟技术节省了大量的人力、物力,缩短实验周期,并且能够模拟某些现有实验手段难以处理的极端条件。相对于传统理论预测而言,我们可以在高精度下得到精确数值解,预测研究体系的最终结构和能量信息等,所以计算机模拟技术已发展成为人们探索自然世界不可或缺的手段之一。
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            1.2 GPU 高性能计算的应用
            GPU 是图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的简称,开始之初是用来对计算机游戏、图形等进行渲染,现在已发展成为一种用来进行科学计算的空前强大的新一代计算工具。在图形处理中,需要经常处理众多像素点的变化,而每个像素点具有十分相似的运算规则,因此将整个画面拆分为若干像素单元并同时处理每个像素单元极大地提高了图形处理的效率。GPU 不仅适合处理图形问题,还适合处理与之相似的并行计算问题,所以很快便被应用到基于并行计算的分子动力学模拟技术中。在分子动力学模拟中,对每个粒子而言,其他粒子都会对其每一步运动进行作用,在求解其牛顿运动方程时需要计算分子间的相互作用力,确定粒子下一时刻的位置、移动的速度、加速度等信息。所以说该方法真实体现了分子的运动过程,为实验提供了很多分子尺度可观测的数据,从微观角度解释了一些实验现象。但也正因为需要计算每一时刻、每一个粒子的相互作用力大小、速度大小方向、加速度等信息,这部分运算又在整个模拟过程中所占比例很大,导致了整个体系计算量庞大,限制了全原子分子动力学模拟在更大空间和时间尺度上的应用。并行计算技术的出现极大程度地提高了这部分的运算效率,从而缩短了整体的运算时间,促进了全原子分子动力学模拟的发展和应用。通过改良分子动力学模拟算法,人们将过去原始的串行模拟程序拆分成适合并行计算的程序,并利用适合处理并行任务的硬件——GPU 来实现模拟过程更大程度的加速。并且,随着时间的推移,人们将许多数学库移植到 GPU 上进行加速,进一步推动了基于 GPU 并行技术的分子动力学模拟软件的发展。现有的一些基于 GPU 加速的分子动力学模拟软件,如 GROMACS[13],能够将整个模拟拆分成多个部分,并将不同类型的任务分别移送给 CPU 和 GPU 计算,大大提高了模拟的计算速度。
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            第二章 理论基础与模拟方法简介
             
            本论文工作中,我们采用了多种分子动力学模拟方法对所关注的不同物理体系进行了系统研究。本章内容对论文工作中所用到的模拟方法及涉及到的相关物理模型和参量进行系统阐述。在第一节中,介绍了分子动力学模拟的基本原理及模拟所需各项参数设置;第二节,主要介绍耗散粒子动力学方法的基本原理以及该方法与 Flory-Huggins 平均场理论之间的联系等;第三节重点介绍在GROMACS 软件中添加新的残基信息的方法;第四节介绍了基于结构信息构建体系粗粒化模型的玻尔兹曼反演迭代方法。
             
            2.1 分子动力学模拟
            分子动力学模拟方法是一种处理经典多体体系的平衡和输运性质的模拟方法,该方法不考虑量子效应,所有粒子的运动均遵循经典的牛顿运动方程[10]。它是一种在原子和分子水平上的计算机模拟方法。模拟之初,首先对分子动力学模拟方法中的研究体系进行初始化,即给定体系的粒子数,每个粒子的初始位置、速度等,接着设定一个时间步长 ,将连续的时间离散为间隔为 的一系列时间点,然后计算体系中各个粒子在这些时间点上的受力,从而更新粒子在下一时刻的速度、位置等信息。在整个模拟过程中,为了确定下一时刻粒子的坐标和速度等信息,必须求解牛顿运动方程,求解中应用最广泛也最有效的方法是 Verlet 算法[26]。但是该算法加速度项的引入降低了计算效率,并且计算 t 时刻粒子的速度需要 t时刻粒子的坐标信息,给计算带来了很大麻烦,尽管如此,Verlet 算法的思想仍然是值得肯定的。在此算法的基础上,更加优化改进的方法被人们提出。由Hockney 和 Potter 提出的蛙跳算法(Verlet leap-frog,VLF)就是基于 Verlet 算法改进而来的一种半步积分的算法,利用半步长的速度对粒子的运动方程进行积分。两种算法的核心基础都是一样的,所以产生的空间轨迹完全相同。但 VLF 算法虽然改进了 Verlet 算法的一些弊端,却仍然存在一些不足,比如计算体系的位置和速度具有不同步性,体系的动能和势能未能同时定义等,因此 VLF 算法仍然无法让人们满意。
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            2.2 耗散粒子动力学
            耗散粒子动力学(DPD)早在上世纪九十年代就已经发展起来,它是一种介观计算机模拟方法,该方法成功搭建了连接微观尺度模拟和宏观尺度模拟的桥梁。DPD 方法[31]是基于粒子研究的一种模拟方法,一个单一的粒子通常代表一组原子或分子。三个受力部分构成了粒子之间的相互作用力,即保守力 FC,耗散力FD,和随机力 FR,三种受力均是成对出现。为了构建高分子体系模型,相邻粒子之间采用弹簧力连接起来。参照前人的工作报道[32],DPD 模拟中通常将弹簧系数设为 4.0。Flory-Huggins 理论是描述聚合物共混体系热力学性质方面最简单也最具有明确物理意义的平均场理论[34]。该理论在描述聚合物不同聚合物之间的相容性等方面取得了很大的成功。为了把真实的聚合物体系的原子分子结构信息反映到 DPD模型中,把 DPD 模拟中的排斥相互作用强度 与 Flory-Huggins 理论中的 结合起来,促使我们可以在研究真实体系的热力学和结构性质时运用到 DPD 方法。在Flory-Huggins 理论中,对理想混合状态下的微扰描述了体系的自由能。
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            第三章 聚苯乙烯的多尺度模型构建......21
            3.1 引言......21
            3.2 模拟方法和模型构建...........22
            3.3 模拟结果与讨论........23
            3.4 本章小结.........29
            第四章 多分散性对短链线性两嵌段共聚物相行为的影响..............31
            4.1 引言......31
            4.2 模拟方法和模型构建...........32
            4.3 模拟结果与讨论........34
            4.4 本章小结.........42
            第五章 多分散性对环状两嵌段共聚物相行为的影响...........45
            5.1 引言......45
            5.2 模拟方法和模型构建...........46
            5.3 模拟结果与讨论........48
            5.4 本章小结.........57
             
            第六章 复合物中软纳米球对链运动的影响随温度的变化
             
            6.1 引言
            随着材料科学的日益发展,人们对高性能材料的需求越来越迫切,因此更多的科学工作者们把目光聚焦到了纳米复合材料领域,其中以纳米粒子复合物最受欢迎。纳米粒子添加到聚合物熔体中可以极大地提高材料性能[106-110],但创造更好的材料,就需要了解复合物中纳米粒子对聚合物链运动的影响。尽管这一问题已经被广泛研究[111-117],但是仍然存在一些因素的影响是不明确的,特别是温度的影响。例如,不同尺寸的纳米粒子添加到不同聚合度的高分子熔体中会抑制[117]或加速[118]链的扩散运动。同时,温度因素的影响也有所报道。Winey 等人的工作[117]指出,纳米粒子的加入降低了高分子熔体链的扩散运动。更重要的是,随温度的升高,这种抑制作用越来越强,原因是在高温时纳米粒子引入了更高的熵垒。但同时 Basu 等人的工作[118]表明,聚苯乙烯熔体中加入小的接枝金纳米粒子,由于纳米粒子和聚合物链界面之间的强滑移作用,界面处的有效粘度降低,即熔体链运动加快,引起了体系整体粘度的下降。并且这种降低粘度的作用在低温时更加明显。另一方面,随着该领域研究的深入,人们意识到纳米粒子的柔软度也是影响复合物动力学性质的重要因素[25, 46, 119-121]。不同于传统无机纳米粒子,单链交联的软纳米粒子能够降低聚合物熔体的粘度[25, 46, 111, 122],并且这种影响与纳米粒子的柔软度息息相关[114]。这种软纳米粒子通常是由一条线性高分子链在极稀溶液中通过链内的热交联反应制备得到[123, 124]。不同于无机纳米粒子的是交联纳米粒子的形变能力很强。Dadmun 等人的研究[114]表明,通过改变交联纳米粒子的交联率可以调节其柔软度。并且他们的结果明确说明较软的纳米粒子可以更大程度上降低体系粘度。但是,粘度的大幅度降低并没有引起体系玻璃化转变温度的急剧降低,而只是降低了很小幅度,这完全不符合自由体积理论的预测。这一现象也正说明在软纳米粒子复合物中的温度影响是更加复杂的。
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            总结
             
            本论文采用玻尔兹曼迭代反演的方法构建了聚苯乙烯粗粒化模型,利用耗散粒子动力学模拟方法系统研究了多分散性对短链线性两嵌段共聚物和环状两嵌段共聚物相行为的影响;最后利用分子动力学模拟方法研究了软纳米球对熔体链运动的影响随温度的变化,得出如下主要结论:
            1,利用基于结构性质的玻尔兹曼迭代反演方法,我们构建了聚苯乙烯的粗粒化模型,该模型可以完美重现聚苯乙烯的结构性质、密度等。通过计算粗粒化模型的松弛时间,得出了与理论模型一致的标度关系,再次验证了模型的准确性和适用性。并利用两点拟合法成功解决了粗粒化作用势的温度可移植性问题。
            2,通过在短链线性两嵌段共聚物中单侧和两侧引入多分散性发现,单侧引入多分散性后体系的有序-有序转变点向右(多分散组份增加的方向)发生偏移,导致球状相组分空间增大。由于长短链之间的空间选择性分布,相图中出现了无规双连续结构。并且体系的有序-无序转变点在相图左侧降低,右侧升高,与实验结果一致。而在两侧多分散体系中,相图整体对称,但由于体系中高度不对称链和极短链的存在导致了有序-无序转变点的升高。
            3,利用耗散粒子动力学方法,我们发现具有相同聚合度的环状两嵌段共聚物形成的有序结构尺寸是线性两嵌段共聚物的 0.7 倍,单侧引入多分散性后比例不变,同时体系的有序-有序转变点向相图右侧偏移,相图对称性被破坏,规律与线性两嵌段共聚物体系相似;在两侧多分散体系中,无规双连续结构区间明显增大,该影响类似于三嵌段共聚物体系;通过大量对比分析发现,当形成双连续结构的嵌段长度一致时,环状两嵌段共聚物所形成结构的比表面积更大,更有利于太阳能电池等方面的应用。
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            参考文献(略)

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