外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法技术

本发明专利技术为高分子链在具有吸引作用的表面附近受外力驱动作用下的吸附性质研究提供一种外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法，可以用来研究了外力驱动作用对高分子链吸附性质的影响以及通过构象形变来交叉校验临界吸附点，对高分子的应用具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法
本专利技术属于高分子的理论计算与模拟领域，具体涉及外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法。
技术介绍
近年来，随着高分子在化学工业和生物领域的应用日益增加，研究控制高分子性质的物理机制对高分子的应用具有重要的意义。从自然界中的天然橡胶、蛋白质到工业应用的胶体、色谱层析法等都与高分子的吸附现象相关，高分子链在吸引表面上吸附特性的研究受到人们的广泛关注。过去对高分子链在具有吸引作用界面上的研究，主要集中在高分子链在表面上的临界吸附温度和构象在吸附过程中的变化。高分子链与表面之间相互作用强度是影响高分子吸附的主要因素，如果表面存在强相互吸引作用，那么高分子链在表面的吸附量增加，高分子链趋于表面附近形成较薄的吸附层；而当高分子链与表面相互吸引作用较弱时，在表面上的高分子链伸展在溶液中形成分子刷。在高分子溶液中增加外力驱动作用将影响到高分子的吸附及吸附态的构象。在高分子链的尾端或中间某一个单体受到外力作用，高分子链的构象受外力大小和方向所影响。因此，高分子链在具有吸引作用的表面附近受外力驱动作用下的吸附性质研究具有重要的意义和应用前景。伴随高分子物理实验研究的发展，高分子的理论计算与模拟也发展成为了高分子学科的一种重要研究手段。粗粒化分子动力学可以模拟研究高分子链的构象性质和生物大分子的能量及结构。外力对高分子链构象影响也可以采用模拟方法研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法。本专利技术所采取的技术方案如下：外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法，包括以下步骤：步骤一、构建高分子链模型，采用三维的简立方格模型，采用Rosenbluth-Rosenbluth链生长方式随机地生成一条链长为N的高分子链，其中链长为N的高分子链由N个单体组成，在高分子链的生成过程中，每个单体有26个可选择的矢量方向，高分子链中相邻的单体通过键长可涨落的键相连，其键长取值为1、高分子链的两端均为自由，在Z＝0和Z＝D处分别放置一个均质且不可穿透的表面，高分子链被放置在两个平行表面之间，其中表面间距D>Nv，其中v为Flory指数0.588，在Z＝0处的表面对高分子链单体具有吸引作用，而在Z＝D处的表面对高分子链不存在吸引作用，高分子链在X和Y方向将满足周期性边界条件，在两个表面间施加一个平行于X轴正方向的均匀外力场，在整个模拟过程中高分子链上的每个单体一直受到该恒定的外力场驱动作用，当构象发生变化时，力的方向始终保持不变，单体与单体之间的相互关系如下：(a)所有单体均满足自回避的条件，即2个单体不能占据同一个格点；(b)键与键之间不允许交叉；(c)非键相邻单体之间仅考虑体积排斥作用；步骤二、让高分子链做随机的布朗运动，在整条高分子链中随机选择一个单体进行运动，单体在运动时有6个矢量方向{(1,0,0),(-1,0,0),(0,1,0),(0,-1,0),(0,0,1),(0,0,-1)}，当选定的单体在尝试运动后有三种可能的情况，(1)单体尝试运动后，前后两端的键都超出键长范围，尝试运动失败，保留原始位置；(2)单体尝试运动前后两端的键仍然满足键长范围，这种情况下采用键长涨落算法产生新的构象；(3)单体尝试运动后一端的键仍然在允许键长范围，但另一端的键超出键长范围，按协同运动算法，超出键长范围这端的近邻单体依次向前一单体位置运动，直到遇到可以满足键长允许条件的单体为止，从而产生新的构象；步骤三、计算新构象的接受概率P，运用Metropolis重要性抽样方法来确定，即P＝min{1,exp(-△E/KBT)},KB为玻尔兹曼常数，△E为新旧构象产生的能量差，△E从吸附能和外力驱动能两个方面来考虑：(1)单体与下表面之间存在相互吸引作用，其作用强度为ε＝-1，高分子链每次运动前后接触能变化记为△Es＝ε△M，其中△M为运动前后高分子链在表面接触数的变化量；(2)单体均受到沿x轴正方向的外力F驱动作用，高分子链每次运动受外力驱动产生的能量变化记为其中协同运动团簇中的每个单体k在X方向上发生的位移△xk；(3)每次运动前后产生的能量变化为△E＝△Es+△EF；步骤四、以蒙特卡罗步MCS作为一个时间计量单位，在每一个蒙特卡罗步中高分子链的所有单体试图平均运动一次，在每个温度下，高分子链都将经历时间τ＝2.5×N2.13MCS来达到一个平衡状态，在后续的100τMCS记录高分子构象样本。对于链长为N的高分子链，随机产生1000个独立的初始构象，然后随机布朗运动，达到平衡态后对高分子形态和性质求统计平均。本专利技术的有益效果如下：本专利技术为高分子链在具有吸引作用的表面附近受外力驱动作用下的吸附性质研究提供一种外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法，可以用来研究了外力驱动作用对高分子链吸附性质的影响以及通过构象形变来交叉校验临界吸附点,对高分子的应用研究具有重要意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。图1为高分子链中单体尝试运动的示意图，(a)尝试运动前的状态，(b)单体k尝试往右运动，相邻两键均断开，尝试运动失败，(c)单体i尝试向下运动，满足键长涨落条件和(d)单体i尝试向左运动，然而单体i到j之间的所有单体进行协同运动；图2为在临界吸附温度附近<M>-N的双对数关系，其中<M>为平均表面接触数；N为高分子链的链长，从N＝40到N＝400；外力F＝0。临界吸附温度Tc为1.95，交叉指数为1；图3为高分子链的平均表面接触数<M>与链长N在不同温度T的关系，其中外力F＝0.3，链长从N＝40到N＝400；图4为平均表面接触数<M>与温度T的关系，其中链长N＝200，外力F＝0,0.1,0.3,0.5,1.0和10；图5为高分子链的温度T与外力F的伪相图，其中链长N＝200，DS为脱附态和AS为吸附态，插图的三种构象分别为(a)F＝0.1,T＝1.0，(b)F＝10,T＝1.0和(c)F＝10,T＝0.2；图6为高分子链均方回转半径<RG2>以及X，Y，Z方向分量与外力F的关系，其中链长N＝200，温度T＝1；、图7为均方回转半径在Y、Z方向上的分量<RG2>Y和〈RG2>Z与温度T的关系。其中链长N＝200；外力F＝0，0.5，1和10；图8为(a)高分子链平均表面接触数<M>和(b)均方回转半径在Z方向上的分量与外力F的关系，其中链长为N＝200，温度为T＝1.2和0.2；图9为本专利技术的流程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。如图9所示，一种外力作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、构建高分子链模型，采用三维的简立方格模型，采用Rosenbluth‑Rosenbluth链生长方式随机地生成一条链长为N的高分子链，其中链长为N的高分子链由N个单体组成，在高分子链的生成过程中，每个单体有26个可选择的矢量方向，高分子链中相邻的单体通过键长可涨落的键相连，其键长取值为1、

【技术特征摘要】
1.外力作用下高分子链在表面吸附性质的蒙特卡罗模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、构建高分子链模型，采用三维的简立方格模型，采用Rosenbluth-Rosenbluth链生长方式随机地生成一条链长为N的高分子链，其中链长为N的高分子链由N个单体组成，在高分子链的生成过程中，每个单体有26个可选择的矢量方向，高分子链中相邻的单体通过键长可涨落的键相连，其键长取值为1、高分子链的两端均为自由，在Z＝0和Z＝D处分别放置一个均质且不可穿透的表面，高分子链被放置在两个平行表面之间，其中表面间距D>Nv，其中v为Flory指数0.588，在Z＝0处的表面对高分子链单体具有吸引作用，而在Z＝D处的表面对高分子链不存在吸引作用，高分子链在X和Y方向将满足周期性边界条件，在两个表面间施加一个平行于X轴正方向的均匀外力场，在整个模拟过程中高分子链上的每个单体一直受到该恒定的外力场驱动作用，当构象发生变化时，力的方向始终保持不变，单体与单体之间的相互关系如下：(a)所有单体均满足自回避的条件，即2个单体不能占据同一个格点；(b)键与键之间不允许交叉；(c)非键相邻单体之间仅考虑体积排斥作用；步骤二、让高分子链做随机的布朗运动，在整条高分子链中随机选择一个单体进行运动，单体在运动时有6个矢量方向{(1,0,0),(-1,0,0),(0,1,0),(0,-1,0),(0,0,1),(0,0,-1)}，当选定的单体在尝试运动后有三种可能的情况，(1)单体尝试运动后，前后两端的键都超出键长范围，尝试运...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪，高和蓓，汪鹏君，艾倩雯，王晶晶，罗孟波，
申请(专利权)人：温州大学，温州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33