线性纠缠高分子的弛豫过程的研究

An important issue of polymer physics is to understand and predict the macro viscoelastic properties of polymer melt from the micro- or mesoscopic information. This proposal is aimed to present an extensive set of simulation results for the stress relaxation in equilibrium and step-strained bead-spring polymer melts. The data will allow us to explore the chain relaxation dynamics. Using the known Rouse mobility of unentangled chains and the melt entanglement length determined via the primitive path analysis of the microscopic topological state of our systems, it is possible to performed parameter-free tests of several different tube models. By correcting Likhtman-McLeish theory, we will present a transparent quantitative theory for linear dynamics of linear entangled polymer melts which is supposed to fit the simulation and experimental data excellently well.

从高分子熔体的微观或介观结构去理解和预言其宏观粘弹性是高分子物理中一个重要课题。本项目拟模拟处于平衡态的和经历了阶跃形变的珠子-弹簧高分子熔体，并给出一系列弛豫过程的模拟数据。这些数据可以让我们探究高分子链的动力学弛豫过程。利用已知的非纠缠链的Rouse动力学性质和通过原始路径分析法得到的纠缠高分子熔体的纠缠长度，使用我们的模拟数据可以对不同的管道模型进行无调节参数地比较。通过对Likhtman和McLeish的理论的修正，我们将对线性纠缠的高分子熔体建立自洽的定量的理论，并预期能在定性和定量上与模拟和实验数据符合得很好。

现代高分子物理中用来阐释高分子动力学和流变学的基本思想是利用分子间的缠结将每条高分子限制于一维的如同管道形状的空间中，并且高分子系统的粘弹性统一地由高分子在这一维管道中的扩散(爬行)来描述。基于这个思想，已经有四十年的计算机模拟和实验研究来不断改进理论。虽然管道模型取得了巨大的成功，但是该理论的基本要素(例如管道直径)依旧仅仅是拟合参数，并且对各种效应的理解大部分还停留在定性或者半定量的认识上。因此，本项目致力于在无调节参数情况下对管道理论进行改进。在项目执行期间，我们完成了如下研究：我们提出了一个修正过的方法可以通过单体的均方位移测量管道半径，在找回前人推导中丢失的前因子π/2后，对于珠子-弹簧高分子系统，利用我们的方法得到的管道直径与其他方式得到的管道直径一致；我们提出了硬球高分子链模型，该模型是通过对高分子链高度粗粒化处理，利用硬球来替代高分子单体的模型，极大地缩短了计算机模拟的运行时间并节约了运算资源；我们利用蒙特卡洛算法模拟了嵌入柱阵列中高分子的弛豫过程，通过分析末端关联函数, 系统地研究了有柱阵列存在的情形下高分子链的爬行行为以及长度涨落机制；利用近二十年来发表的单轴瞬时拉伸的实验和模拟数据，我们确定了滑动-管道模型可以用来最好地描述该物理过程。