星型、打結(jié)等高分子鏈的構(gòu)象及動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、高分子材料具有非常好的力學(xué)性質(zhì),存在著多樣性。本文主要針對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)的高分子如環(huán)型高分子、星型高分子和打結(jié)高分子,進(jìn)行構(gòu)象性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及動(dòng)力學(xué)行為等相關(guān)方面的統(tǒng)計(jì)分析和模擬計(jì)算。深入研究高分子材料的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,能幫助我們進(jìn)一步提高材料的性能,發(fā)展新的材料。
　　 環(huán)型高分子和星型高分子由于其重要而特殊的性質(zhì)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在本文第二章中,基于鍵長(zhǎng)漲落模型,對(duì)環(huán)型高分子鏈和星型高分子鏈的彈性行為進(jìn)行了Monte

2、 Carlo模擬研究。通過(guò)計(jì)算分子鏈的均方回轉(zhuǎn)半徑和形狀因子等參數(shù)記錄了高分子鏈的尺寸和形狀及其變化過(guò)程。同時(shí),高分子鏈構(gòu)象在拉伸過(guò)程中的變化會(huì)引起熱力學(xué)性質(zhì)的變化,如平均能量＜U＞、自由能A等。g因子能夠大致描繪出環(huán)型或星型高分子鏈與線(xiàn)型高分子鏈的結(jié)構(gòu)相似程度,模擬的結(jié)果顯示:它們?cè)诶爝^(guò)程中都是減小的。另外,還研究了不同拉伸狀態(tài)下,不同官能度f(wàn)的星型高分子鏈的散射因子,星型高分子“核心”的不可穿透性導(dǎo)致了滲透壓的不連續(xù),反應(yīng)到散射函

3、數(shù)曲線(xiàn)上有一個(gè)峰值。
　　 在本文第三章中,采用PERM(Pruned-Enriched-Rosenbluth Method)算法,基于簡(jiǎn)立方格點(diǎn)上的自避行走模型,首先研究了受限于平行界面之間的星型高分子鏈和線(xiàn)型高分子鏈的構(gòu)象性質(zhì)和彈性力學(xué)行為,并將兩種結(jié)果進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果表明:如果界面對(duì)高分子鏈有吸附作用,界面之間距離D的增大需要外力的作用；如果界面對(duì)鏈沒(méi)有吸附作用,則D的增大是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程,無(wú)需外力的作用。為了更細(xì)微地

4、了解星型鏈和線(xiàn)型鏈的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為,還統(tǒng)計(jì)了受限高分子鏈在平行界面之間的各種微觀構(gòu)型如train,loop,bridge,tail,并作了討論。接著研究了吸附在粗糙表面上的三維高分子單鏈的構(gòu)象變化過(guò)程及彈性力學(xué)行為。除了關(guān)注高分子鏈的形狀尺寸變化,還計(jì)算了粗糙表面上不同區(qū)域的吸附片斷分?jǐn)?shù)＜fb＞和＜fz＞,從而進(jìn)一步了解了高分子鏈的解吸附過(guò)程；通過(guò)計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)--自由能＜A＞和彈性力f分析了高分子鏈在解吸附過(guò)程中的受力情況,解釋了

5、高分子鏈在脫離粗糙表面過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,結(jié)果表明:粗糙表面的凹凸不平或許會(huì)導(dǎo)致吸附的高分子鏈在脫離表面的行為中存在一段自發(fā)的過(guò)程。將力譜與表面的粗糙程度和吸附強(qiáng)度相聯(lián)系,體現(xiàn)了強(qiáng)吸附作用和表面的粗糙對(duì)這個(gè)彈性過(guò)程有重要的影響。
　　 本文第四章主要研究了高分子的一些動(dòng)力學(xué)行為。首先采用拉伸分子動(dòng)力學(xué)的方法研究聚亞甲基鏈中的纏結(jié)對(duì)分子鏈的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及拉伸行為的影響。不斷增大的末端距R逐漸導(dǎo)致一個(gè)不斷緊密的結(jié)和一個(gè)不斷伸展的分子鏈輪

6、廓。通過(guò)對(duì)分子鏈的一些微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算,進(jìn)一步證明了結(jié)的存在會(huì)減弱分子鏈的強(qiáng)度,并且最容易在結(jié)附近斷裂的事實(shí)。鍵長(zhǎng)、鍵角、兩面角和能量的分布及其在拉伸過(guò)程中的變化能夠幫助確定結(jié)在鏈中的定位,分析結(jié)的尺寸。接著同樣運(yùn)用拉伸分子動(dòng)力學(xué)方法研究吸附在表面上的星型分子鏈的拉伸行為。在整個(gè)拉伸過(guò)程中,拉伸距離Z出現(xiàn)三個(gè)特征值Zc,Zt和Z0,這些值隨著鏈長(zhǎng)的不同而不同。當(dāng)分子鏈被拉伸到Z=Zc時(shí),分子鏈從表面剝離,但是由于表面存在9-3

7、LJ形式的作用勢(shì),在Z=Zc到Z=Zt這個(gè)過(guò)程中,分子鏈仍然受到表面的微弱吸附,從Z=Zt開(kāi)始,分子鏈脫離了表面的影響范圍。另外,在得到的力譜曲線(xiàn)上有多個(gè)平臺(tái),分別可以代表不同的拉伸階段,這和線(xiàn)型分子鏈的情況是有顯著區(qū)別的。最后,基于PERM算法,細(xì)致地研究了緊密高分子鏈從小球穿過(guò)小孔進(jìn)入大球的傳輸過(guò)程。對(duì)自由能勢(shì)壘的研究是最有意義的。一方面,存在一個(gè)化學(xué)勢(shì)能梯度推動(dòng)高分子鏈離開(kāi)小球:另一方面,緊密鏈從小球穿過(guò)小孔進(jìn)入大球的過(guò)程中都存在

8、一個(gè)自由能勢(shì)壘,因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中分子鏈必須伸展,從而破壞了單體單元間的一些接觸對(duì)作用,由此導(dǎo)致了分子鏈的自由能增大。該工作對(duì)了解蛋白質(zhì)是如何進(jìn)入細(xì)胞質(zhì),細(xì)菌是如何進(jìn)入細(xì)胞等基礎(chǔ)問(wèn)題提供一定的參考。
　　 蛋白質(zhì)是生命機(jī)體的基本組成部分,結(jié)構(gòu)的不同必然會(huì)導(dǎo)致其功能和行為的不同。在本文第五章中,主要基于粗?；Ｐ蛯?duì)打結(jié)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸形成緊密接觸對(duì)的幾率進(jìn)行研究,并且與不打結(jié)的情況作了對(duì)比分析,為打結(jié)的成因提供了一些

9、信息。在研究中,分別對(duì)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中全部的273個(gè)打結(jié)蛋白質(zhì)分子和其它9000個(gè)不打結(jié)的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過(guò)成分分析,可以得到這樣的結(jié)論:在打結(jié)結(jié)構(gòu)中,亮氨酸Leu的含量最多,占有最大的成分比例9.62％。對(duì)緊密接觸對(duì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示打結(jié)結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)程緊密接觸對(duì)平均數(shù)目要普遍大于不打結(jié)結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)程緊密接觸對(duì)數(shù)目,說(shuō)明氨基酸的長(zhǎng)程緊密接觸對(duì)對(duì)蛋白質(zhì)打結(jié)起了很重要的作用。另外,還比較了打結(jié)蛋白質(zhì)分子和不打結(jié)蛋白質(zhì)分子的形狀分布,發(fā)