非平衡粒子浴下高分子链结构和动力学研究

Non-equilibrium polymer system is one of hot topics of polymer physics. On the basis of our previous work, a novel non-equilibrium system of polymers, that is different from traditional polymer non-equilibrium systems such as polymer glass, confined polymer, and polymer in shear flow, is developed in this project. Structural and dynamical properties of polymer chains under the non-equilibrium particle bath will be intensively studied by coarse-grained computer simulations and theoretical calculation. The key attention of this project are paid to the abnormal structure and dynamic behaviors of polymer chains induced by self-driven particles with the hydrodynamic effect, the polymer globule-coil transition in the poor solvent in non-equilibrium particle bath and the abnormal hysteresis phenomenon when self-driven particles lose their activities, and the kinetic assembly of semi-flexible chains in the non-equilibrium particle bath. Comparing with the equilibrium behaviors, the physical mechanism of abnormal structural and dynamical behaviors and the rule of kinetic assembly will be uncovered. Our research at the interface of polymer physics and far-from-equilibrium statistical physics is of theoretical importance to understand the mechanism of self-healing polymeric materials.

非平衡态高分子体系是高分子物理研究的前沿和热点之一。本项目在前期工作基础上构造了一类与传统高分子非平衡态（玻璃态，受限态，剪切态）不同的高分子非平衡模型体系，利用粗粒化模拟结合理论计算，研究非平衡粒子浴下高分子链的结构与动力学行为。重点研究流体力学效应下的高分子稀溶液反常结构及动力学行为，对比平衡态体系，揭示反常结构和动力学行为出现的物理机制；研究不良溶剂环境下，非平衡粒子浴诱导的团线转变及回滞现象，探明结构转变的参数空间，阐明背后的物理规律；研究非平衡粒子浴诱导的半柔性链的组装结构和动力学，探索动力学组装的规律。此类系统的研究对于理解自修复高分子材料的形成机理具有重要的理论意义。本项目是非平衡统计物理与高分子物理学科交叉型研究。

非平衡态高分子体系是高分子物理研究的前沿和热点之一。本项目利用分子模拟结合理论计算，研究非平衡粒子浴下高分子链的结构与动力学行为。重点研究不良溶剂环境下，非平衡粒子浴诱导的团展（G-S）转变及回滞现象，给出了转变相图，提出简单理论预测相边界；揭示了两种不同折叠-解折叠机制：低旋转扩散系数时剪切诱导拉伸，高旋转扩散系数时碰撞诱导熔化。研究了活性布朗粒子的密度效应，发现导致在低旋转扩散系数下聚合物链的G-S转变对活性布朗粒子密度存在非单调依赖的物理机制：密度增加一方面导致周围压力增加，另一方面也降低了压力分布的不均匀性。研究两嵌段共聚物在活性粒子浴中的解折叠和动力学行为，阐明新的解折叠机制（抽毛线效应）和反常扩散形成机制（蝌蚪状结构诱导的活性粒子分布不均匀性）。研究了活性粒子浴诱导的非活性刚性链/环组装行为，分析了团簇形成动力学和团簇特征与活性力、活性粒子密度等之间的关系；发现最大团簇平均大小随着驱动力增加单调递减，随着活性粒子浓度增高单调递增；非活性棒呈现与纯活性棒状粒子系统相似的粒子密度涨落现象。研究了二维体系中环形链在自驱粒子下的形貌特征，发现调整自驱力和旋转扩散系数可以实现环形结构由圆形向哑铃形的转化，并出现胶囊形的过渡态。采用耗散粒子动力学，研究了高分子稀溶液反常结构及动力学行为； 发现分子尺寸在活性粒子不同旋转扩散系数下与链长之间的幂率关系。提出酶-链接触反应模型，发现化学能转化为机械力引发的kick力可以导致高分子链塌缩；酶浓度越高塌缩越显著。研究结果表明利用活性物质可以作为操纵聚合物解折叠及动态调节囊泡形貌的新手段。发表SCI论文15篇；培养博士生2人，硕士生3人；申请软件著作权一项。