自推进聚合物链体系的结构与动力学行为研究

作     者：祁琦 

作者单位：山西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘俊星

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：活性粒子 分子动力学 自推进聚合物链 受限 

摘      要：近年来对活性物质系统的研究引起了研究者极大的兴趣。活性物质可以通过消耗外界环境中的能量来实现自身的驱动。目前,从根本上理解这些自驱动系统的行为依然是该领域亟需攻克的难题。其中一个被广泛研究的系统是由细长的聚合物链构成的活性纤维。这些活性纤维表现出有趣的结构、动力学和集体行为。活性体系的应用前景广泛,不仅可以用于医药研究,还可用于环境治理。本工作采用分子动力学模拟方法,研究了自推进聚合物链的构象和动力学行为以及自推进聚合物链在受限环境中的动力学行为。本论文的主要内容分为以下章节:在第一章,首先介绍了活性物质,然后简要概括了活性聚合物链体系近几年国内外相关的研究进展,以及受限环境中的活性体系近几年的相关研究进展。在第二章,首先详细介绍了本工作主要使用的模拟方法——分子动力学模拟,并对分子动力学模拟的过程进行了简要的说明,并且详细介绍了分子动力学模拟的核心方程及常用算法,最后介绍了模拟前所需确定的力场以及周期性边界。在第三章,研究了自推进聚合物单链的构象和动力学行为。在二维的平面中放置一个周期性边界的方盒,方盒中随机放入一个由被动粒子和活性粒子组成的聚合物链,活性粒子等间距放置,研究活性粒子数目以及链的刚度和活性力大小对链的构象及动力学行为的影响。通过分析聚合物链的平均回转半径、聚合物链的均方位移随时间的变化图像、聚合物链的扩散系数随刚度及活性力的变化曲线,把体系的构象区分为四种:卷曲态、过渡态、随机态、伸长态。在第四章,研究了自推进聚合物链在微管受限环境中的动力学行为。详细探讨了聚合物链的质心位移,聚合物链的均方位移随时间的变化图像,以及聚合物链的扩散系数随刚度及活性力的变化曲线。分析得出:在特定的参数条件下,一定的活性粒子数目,刚度及活性力下,体系可以发生长期稳定的定向移动。最后总结了本论文的工作,并对后续工作进行了展望。