星型、打結(jié)等高分子鏈的構(gòu)象及動力學(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)及動力學(xué)行為等相關(guān)方面的統(tǒng)計分析和模擬計算。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,基于鍵長漲落模型,對環(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。通過計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程。同時,高分子鏈構(gòu)象在拉伸過程中的變化會引起熱力學(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型高分子鏈的結(jié)構(gòu)相似程度,模擬的結(jié)果顯示:它們在拉伸過程中都是減小的。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)曲線上有一個峰值。
　　 在本文第三章中,采用PERM(Pruned-Enriched-Rosenbluth Method)算法,基于簡立方格點上的自避行走模型,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；如果界面對鏈沒有吸附作用,則D的增大是一個自發(fā)的過程,無需外力的作用。為了更細(xì)微地

4、了解星型鏈和線型鏈的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為,還統(tǒng)計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程；通過計算熱力學(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程中的受力情況,解釋了

5、高分子鏈在脫離粗糙表面過程中的驅(qū)動機(jī)制,結(jié)果表明:粗糙表面的凹凸不平或許會導(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這個彈性過程有重要的影響。
　　 本文第四章主要研究了高分子的一些動力學(xué)行為。首先采用拉伸分子動力學(xué)的方法研究聚亞甲基鏈中的纏結(jié)對分子鏈的結(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)致一個不斷緊密的結(jié)和一個不斷伸展的分子鏈輪

6、廓。通過對分子鏈的一些微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的計算,進(jìn)一步證明了結(jié)的存在會減弱分子鏈的強(qiáng)度,并且最容易在結(jié)附近斷裂的事實。鍵長、鍵角、兩面角和能量的分布及其在拉伸過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。接著同樣運用拉伸分子動力學(xué)方法研究吸附在表面上的星型分子鏈的拉伸行為。在整個拉伸過程中,拉伸距離Z出現(xiàn)三個特征值Zc,Zt和Z0,這些值隨著鏈長的不同而不同。當(dāng)分子鏈被拉伸到Z=Zc時,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,在Z=Zc到Z=Zt這個過程中,分子鏈仍然受到表面的微弱吸附,從Z=Zt開始,分子鏈脫離了表面的影響范圍。另外,在得到的力譜曲線上有多個平臺,分別可以代表不同的拉伸階段,這和線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小孔進(jìn)入大球的傳輸過程。對自由能勢壘的研究是最有意義的。一方面,存在一個化學(xué)勢能梯度推動高分子鏈離開小球:另一方面,緊密鏈從小球穿過小孔進(jìn)入大球的過程中都存在

8、一個自由能勢壘,因為在這個過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作用,由此導(dǎo)致了分子鏈的自由能增大。該工作對了解蛋白質(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Υ蚪Y(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的幾率進(jìn)行研究,并且與不打結(jié)的情況作了對比分析,為打結(jié)的成因提供了一些

9、信息。在研究中,分別對蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中全部的273個打結(jié)蛋白質(zhì)分子和其它9000個不打結(jié)的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)統(tǒng)計。經(jīng)過成分分析,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％。對緊密接觸對的統(tǒng)計結(jié)果顯示打結(jié)結(jié)構(gòu)中的長程緊密接觸對平均數(shù)目要普遍大于不打結(jié)結(jié)構(gòu)中的長程緊密接觸對數(shù)目,說明氨基酸的長程緊密接觸對對蛋白質(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)