Компьютерное моделирование гребнеобразных полимеров

• Автор: Ширванянц, Давид Григорьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Место защиты: Б. м.
• Количество страниц: 92 с. : ил.

Содержание
Введение

Г лава I Метод решеточной молекулярной динамики

1. Обзор литературы

2. Модель и метод расчета

3. Результаты расчетов

3.1. "Идеальные" цепи

3.2. Статические свойства цепей с объемными взаимодействиями

3.3. Релаксация цепей с объемными взаимодействиями

3.4. Гидродинамические эффекты

3.5. Полуразбавленные растворы

3.6. Рептации в расплаве
3.7. Сопоставление методов РМД и МК
4. Обсуждение результатов
5. Заключение
. Г лава II Г ребнеобразные макромолекулы в разбавленном растворе
1. Постановка задачи
2. Обзор литературы
3. Результаты расчетов
3.1. Размеры основной цепи
3.2. Поведение макромолекулы в зависимости от длины боковых цепей
3.3. Поведение макромолекулы в зависимости от плотности ветвления
Содержание
3.4. Конформационные свойства боковых цепей
3.5.Локальная структура
3.6. Необычное поведение двумерных гребнеобразных молекул
3.7. Динамические характеристики
3.8. Заключение
Глава III Самоорганизация макромолекул с ассоциирующими группами
1. Постановка задачи
2. Методика моделирования
3. Результаты моделирования
3.1. Конформации макромолекул
3.2. Локальная конформационная структура
3.3. Агрегационные числа и распределение мицелл по размерам
3.4. Корреляционные функции
3.5. Морфология системы
3.6. Заключение
Основные результаты и выводы
Литература
Введение
В последние годы полимерные материалы, помимо традиционных областей применения, получают распространение в наиболее пе'редовых современных технологиях. В частности, интерес к высокомолекулярным соединениям проявляется в молекулярной микроэлектронике, в медицине, рассматриваются возможности их применения для решения различных прикладных задач, направленных создание "механизмов" с размерами порядка отдельных молекул. Если ранее полимеры рассматривались главным образом как конструкционные материалы и адсорбенты, и интерес сосредотачивался главным образом на полимерах линейного строения, то в настоящее время большее внимание привлекают макромолекулы сложной архитектуры. Соединения такого рода относятся к категории "функциональных полимеров" и характеризуются тем, что даже небольшие изменения внешних условий могут вызывать у них ярко выраженные структурные перестройки. Такие вещества часто обладают необычными механическими, электрическими, оптическими и другими свойствами.
К числу полимеров сложного химического строения относятся гребнеобразные полимеры. Такие макромолекулы способны проявлять нетривиальное конформацион-ное поведение, резко отличающееся от известного для линейных цепей. Химическая природа звеньев основной и боковых цепей, как правило, резко различается. Кроме того, боковые цепи могут включать в себя различные ассоциирующие группы. За счет несовместимости звеньев основной и боковых цепей либо в результате возникновения ассоциативных связей гребнеобразные сополимеры способны самоорганизовываться в растворах и расплавах в сложные супрамолекулярные ансамбли. Интересные картины самоорганизации демонстрируют гребнеобразные комплексы, возникающие в результате нековалентного связывания молекул поверхностно-активных веществ с полимерными цепями. В литературе появились экспериментальные данные, свидетельствующие, что подобные системы способны функционировать как нанометровые устройства
Метод решеточной молекулярной динамики

ве. становятся понятными преимущества модели РМД, в том числе и при изучении полимеров.
Говоря о других достоинствах метода РМД, можно также отметить, что данная схема (как и любая другая модель клеточного автомата) идеально подходит для реализации распараллельных вычислений. Поскольку алгоритм РМД прост и состоит только из локальных операций, вычислительные затраты возрастают линейно с размером системы.
К сожалению, в настоящее время не до конца понятны физические ограничения модели РМД. Кажется достаточно очевидным лишь то, что эти ограничения касаются расчета динамических свойств, но не равновесных характеристик. Как уже указывалось, траектории, генерируемые методом РМД, не являются обратимыми во времени. Другой серьезный недостаток модели связан с весьма карикатурным представлением законов столкновения и грубой дискретизацией скоростей частиц, что нарушает фундаментальный принцип трансляционной инвариантности Галилея. С точки зрения законов гидродинамики это приводит к ошибочному выражению для нелинейного члена (у'7)у в уравнении Навье-Стокса и влечет за собой невозможность наблюдения каких-либо нелинейных эффектов. Наконец, остается открытым вопрос об учете сил притяжения между частицами в рамках модели РМД. Многие другие аспекты этой модели также остаются открытыми для критики.
5. Заключение
Описана новая схема компьютерной имитации полимеров, основанная на решеточной модели макромолекулы с "флуктуирующими связями" и принципах клеточного автомата. С использованием развитого подхода выполнено численное моделирование ряда двух- и трехмерных полимерных систем (изолированных макромолекул, полимерных растворов и расплавов). Рассмотрена динамика отдельной полимерной цепи в пределе свободного протекания полимерного клубка растворителем, гидродинамическое поведение гибкоцепных макромолекул в разбавленном растворе, равновесная структура и коллективная динамика полуразбавленных растворов и расплавов. Результаты выполненных расчетов сопоставлены с предсказаниями имеющихся аналитических теорий. Предложенная модель "решеточной молекулярной динамики" дает качественно правильное описание широкого круга равновесных и динамических свойств полимерных систем и по своей вычислительной эффективности существенно превосходит известные имитационные методы молекулярной динамики и Монте-Карло.