高分子经分子刷微管道输运和分离的模拟研究

The project will carry out comprehensive computer simulations on the translocation of polymer through channels with polymer brushes. We will study the influence of the initial configurations of the polymer and the brushes on the translocation dynamics, and investigate the variation of the configurations of the system during the translocation process. We will provide the key factors that determine the translocation process and uncover the corresponding physical mechanisms. We will also study the translocation of multi-polymer system containing two kinds of polymers which have different interactions with the brushes, and detect the characters of the channels that can separate the two kinds of polymers. The project tries to discover the general rules of the translocation of polymer through channels with polymer brushes, and find out the correlation between the translocation dynamics and the configurations of the polymer or/and the brushes, and provide the methods that can separate polymers efficiently by using channels with polymer brushes. The results will be helpful in studying many biological processes, such as protein transporting through lipid membrane, RNA translocating through nuclear pores, and so on, and be useful in DNA sequencing and detecting, and be also important in the basic theories of soft matter physics.

计算机模拟高分子链通过分子刷管道的输运过程，研究分子刷和高分子链的初始构象对输运动力学规律的影响，揭示输运过程中分子刷和高分子链的构象变化特点，给出影响高分子链输运的关键因素及其影响链输运的物理机制；模拟包含两种与分子刷相互作用不同的高分子多链系统经电中性分子刷管道的输运，获得实现高分子链分离所需要的管道条件。本项目的研究旨在获得高分子链经分子刷管道输运的一般规律，揭示构象性质与输运规律之间的关联，并提出利用分子刷管道高效分离高分子链的方法。项目成果有助于研究蛋白质穿过生物膜，RNA通过核孔等生命过程，有助于研究DNA的快速分离和检测，对软物质物理的基础理论研究也有重要的意义。

高分子链通过纳米管道的输运在生命过程中普遍存在且与许多生物科技相关，是物理、化学和生物领域的重要课题。链与管道间的相互作用是影响高分子链输运过程的重要影响因素之一。在管道内壁嫁接分子刷可以有效调控链与管道相互作用，但同时又会造成管道有效尺寸非均匀化。本项目采用Monte Carlo方法模拟研究了狭缝型管道内高分子链在分子刷上的吸附和扩散，发现随着吸引作用增强，高分子链会发生由脱吸附态到吸附态的相转变，同时扩散由正常模式转变为亚扩散模式。在临界吸附能附近，高分子链嵌入分子刷内部，而当吸引作用能比较强时，高分子链则吸附于分子刷表层。为了着重研究链与管道间相互作用对链运动的影响，我们分别用Monte Carlo和Langevin动力学方法模拟研究了高分子链在刚性圆柱型和狭缝型周期管道中的扩散和受驱运动，其中链与管道间的相互作用在管道长度方向上周期变化。结果发现：高分子链的运动快慢显著依赖于链与管道间的相互作用强度、管道周期、链的长度以及链的组成，且输运规律可以用自由能图象以及输运过程中链构型的变化进行解释。为了着重研究管道尺寸非均匀性的影响，我们还研究了管-球受限空间内高分子链由管道进入球腔的自发运动，发现了明显的相转变行为和复杂的运动规律。我们的结果可能对人们认识受限空间内高分子链的静态和动态行为有帮助，还可能对高分子链分离或序列检测有一定指导意义。