受限空间中的高分子链穿越纳米管道的 Monte Carlo 模拟

  受限空间中高分子穿越纳米管道过程中,由于熵的作用,高分子自发地从熵受限的区域迁移到受限程度较低或完全不受限的区域。受限空间中的高分子链穿越纳米管道示意图如图1所示,当高分子从区域A进入纳米管道以后,高分子的构象熵会不断地减小,导致自由能的升高;而当高分子完全穿越纳米管道后,高分子的构象熵又会进一步增加,导致自由能的减小。由于区域A比区域B更加受限,因此高分子在区域B的自由能要低于在区域A的自由能。由于高分子在从区域A自发迁移到区域B时要越过一定的自由能壁垒,高分子穿越自由能壁垒对应的是能量升高的过程,高分子成功穿越的概率并不高。因此高分子穿越管道的过程(图2)与化学反应过程相类比。
  一、实验内容
  采用自编的 Monte Carlo 分子模拟软件,在计算机上直观地观察受限空间中的单链高分子穿越纳米管道的动力学过程。受限空间中的高分子链穿越纳米管道过程设置相关参数(链长、管道长度、受限空间尺寸等),其中,受限程度不同,高分子穿越纳米管道对应的自由能壁垒△E也有所不同,测定高分子从开始穿越到最终又回到起点的时间(τtrap),确定自由能壁垒△E与高分子链长N 、纳米管道长度M之间的函数关系,讨论受限程度对高分子穿越纳米管道动力学行为的影响,并与化学反应过程相类比。
  二、功能及效果
  利用 Monte Carlo 方法模拟受限空间中的高分子链如何在熵驱动下穿越纳米管道,涉及到高分子尺寸、构象熵等基本概念和知识点,对学生理解构象熵这一概念在高分子科学中的特殊重要性非常有帮助。模拟结果表明,高分子链穿越的动力学过程满足关系lgτtrap ∝ △E,与化学反应动力学过程(k ∝ exp(-△E/kT) )具有相似性,很有新意,学生也很感兴趣。此实验也为我校特有。

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