Диссертация (1104736)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––На правах рукописиМАРКИНААнастасия АлексеевнаСАМООРГАНИЗАЦИЯ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР В(СО)ПОЛИМЕРНЫХ И ЛИПИДНЫХ СИСТЕМАХ:КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕСпециальность 02.00.06 – высокомолекулярные соединенияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д.ф.-м.н., доцентВ.А.
ИвановМосква-2017СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕГЛАВА I5МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ11I.1Мезоскопическое компьютерное моделирование11I.2Основы метода молекулярной динамики13I.3Основы метода диссипативной динамики частиц14I.4.Параметризация валентно-силового поля18I.5Гибридная схема моделирования нанокомпозитов20I.6Итоги Главы I24РАСПЛАВ СЛУЧАЙНЫХ СОПОЛИМЕРОВ25Введение и обзор литературы25ГЛАВА IIII.1II.1.1Сегрегация в расплавах блок-сополимеров25II.1.2Обзор теоретических и экспериментальных работ28II.2Модель и параметры системы29II.3Результаты и обсуждение31II.4ГЛАВА IIIII.3.1Фазовая диаграмма случайных диблок-сополимеров31II.3.2Характерный размер микроструктур33Итоги Главы II36РАСПЛАВ ГОМОПОЛИМЕРОВ С РАЗЛИЧНОЙ37ЖЕСТКОСТЬЮIII.1III.2Введение и обзор литературы37III.1.1Кристаллизация полимеров37III.1.2Обзор теоретических и экспериментальных работ38Модель и параметры системы41III.2.1Крупнозернистая модель41III.2.2Параметры компьютерного эксперимента442III.3III.4ГЛАВА IVРезультаты и обсуждения45III.3.1Степень кристалличности45III.3.2Радиальная функция распределения47III.3.3Параметры ориентационного порядка49III.3.4Размер и ориентация цепей53III.3.5Формирование кристаллических доменов56III.3.6Роль углового потенциала жесткости57Итоги Главы III59МИЦЕЛООБРАЗОВАНИЕ В ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРАХ60ЛИПИДОВIV.1IV.2IV.3.Введение и обзор литературы60IV.1.1Системы на основе поверхностно-активных веществ60IV.1.2Обзор теоретических и экспериментальных работ61Модель и параметры системы63IV.2.1Крупнозернистая модель63IV.2.2Параметризация валентно-силового поля63IV.2.3Параметры компьютерного эксперимента66Результаты и обсуждения66IV.3.1Морфология молекулярных агрегатов66IV.3.2Кластерный анализ68Итоги Главы IV72МИЦЕЛООБРАЗОВАНИЕ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ЛИПИДОВ73V.1Введение и обзор литературы73V.2Модель и параметры системы75IV.4ГЛАВА VIV.2.1Метод неявного учета низкомолекулярной соли75IV.2.1Параметры компьютерного эксперимента773V.3V.4Результаты и обсуждения78V.3.1Морфология молекулярных агрегатов78V.3.2Кластерный анализ80V.3.3Размер и форма молекулярных агрегатов81V.3.4Механизм роста молекулярных агрегатов85Итоги Главы V87ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ88СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ90СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ92СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ105БЛАГОДАРНОСТИ1064ВВЕДЕНИЕ–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––«Хорошаятеориясложныхсистемдолжнапредставлятьсобойлишьхорошую«карикатуру» на эти системы, утрирующую те свойства их, которые являются наиболеетипическими, и умышленно игнорирующую все остальные – несущественные ─ свойства».Я.И.
ФренкельАктуальностьработы.Диссертационнаяработапосвященаисследованиюсвязимакроскопической структуры и свойств полимерных материалов с их строением намолекулярном уровне, а также созданию обобщенных методик, позволяющих предсказыватьмакроскопические свойства полимерных материалов на основе их химической структуры спомощью методов компьютерного моделирования.
В работе проведено исследованиеключевых факторов, влияющих на процессы самоорганизации в (со)полимерных и липидныхструктурах, с помощью мезоскопического компьютерного моделирования и разработанныхкрупнозернистых (КЗ) моделей, способных адекватно описывать поведение системы набольших пространственных и временных масштабах, учитывая при этом особенностихимического строения ее компонент. Понимание на молекулярном уровне универсальныхзакономерностей обратимого упорядочения молекулярных систем открывает широкиевозможности для управления их эксплуатационными характеристиками.
Виртуальный дизайнс помощью методов компьютерного моделирования позволяет снизить стоимость и времяпроектирования новых полимерных материалов.Исследовать свойства молекулярных систем в компьютерном эксперименте можно спомощью микроскопических, мезоскопических (крупнозернистых) и макроскопическихподходов, работающих на разных пространственных и временных масштабах.
Для построениявычислительных моделей используют либо координаты и скорости атомов, молекул имодельных частиц (в микроскопических подходах), либо коллективные переменные, такие какфункции распределения плотностей и положения фрагментов системы, применяемые прирешении систем уравнений в частных производных (в макроскопических подходах).К микроскопическим методам относятся методы квантовой химии и полноатомногомоделирования. В квантовой химии используются различные методы приближенногорешения уравнения Шредингера для атомных и молекулярных систем. Так как степеньсложности расчетов сильно зависит от числа атомов и избранного метода решения уравнения5Шредингера, для построения моделей вещества используют не более ~100 ─ 2000 атомов. Ватомистическом моделировании используются методы молекулярной динамики и МонтеКарло в сочетании с достаточно реалистичными валентно-силовыми полями (ВСП) дляописания взаимодействия между атомами системы.
Основная проблема заключается в том,что требуется строить очень большие системы из десятка, а то и сотни миллионов атомов.При этом необходимо использовать большое число шагов интегрирования разностной схемыв случае решения уравнений Ньютона или случайных блужданий в случае метода МонтеКарло. Это необходимо, чтобы выйти на реальные размеры исследуемых структур ихарактерные времена происходящих процессов.На сегодняшний день важной и интересной задачей является предсказание физикохимических свойств вещества, возможно, ранее неизвестного, а также определение внешнихусловий, при которых это вещество имеет нужные свойства.
Для решения такой задачинеобходимо не только перебрать огромное число химических структур (макро)молекул, но ипросканировать большое число различных моделей и наборов входных параметров длякаждой из этих моделей, а это довольно ресурсоемкая задача в рамках микроскопическихподходов. Использование макроскопических подходов значительно ускоряет вычислительныйпроцесс, однако предсказательная сила расчетов может значительно снижаться.Сохранить баланс между учетом особенностей химического строения вещества ивременем компьютерного эксперимента позволяют мезоскопические подходы. Даннаядиссертационная работа посвящена именно мезоскопическому моделированию.
При такомподходе для предсказания макроскопических свойств используются крупнозернистые модели,в которых отдельные частицы представляют собой не атомы, а целые группы атомов,например, одно или несколько мономерных звеньев полимерной цепи, ее статистическийфрагмент, характерную часть молекулы или даже группу молекул. При этом потенциалывзаимодействия между такими «грубыми» частицами («крупными зернами») должныучитывать химическое строение реальной (макро)молекулы и атомистические ВСП.
Сделатьэто можно с помощью, так называемого, многомасштабного моделирования, в рамкахкоторого потенциал взаимодействия между «крупными зернами» аппроксимируется илитабулируется на основе результатов расчета малых фрагментов исследуемой системы (илихорошо известной реперной системы) на «предыдущем» (более детальном) уровне, например,атомистическом или квантово-механическом.Вдиссертационнойработепроиллюстрированоприменениегибридных(илимногомаштабных) схем моделирования на примере двух задач: 1) изучение микроструктур,формируемых в расплавах сополимеров (Глава II и Глава III); 2) изучение морфологии6молекулярных агрегатов лецитина и солей желчных кислот в воде и в органическихрастворителях (Глава IV и Глава V).
В работе показана методика аппроксимации потенциаловвзаимодействия между сферическими частицами крупнозернистой (мезоскопической) моделис помощью атомистических ВСП.Диссертационная работа организована следующим образом:В первой главе описан подход к построению многомаштабных схем компьютерногомоделирования, приведен обзор используемых в настоящей диссертационной работе методовкомпьютерного моделирования: молекулярной динамики (molecular dynamics, МД) идиссипативной динамики частиц (dissipative particle dynamics, ДДЧ), а также дана схемапостроения огрубленных моделей и параметризации ВСП. Заключительная часть первойглавы содержит пример построения гибридной модели полимерных нанокомпозитов,использованной для апробации разработанной методики построения крупнозернистыхмоделей.Во второй главе представлено исследование фазового поведения расплава случайныхдиблок-сополимеров с распределением длины блока по нормальному и экспоненциальномузаконам.
В главе приведена рассчитанная в рамках компьютерного моделирования фазоваядиаграмма, а также исследована зависимость размера доменов от параметра Флори-Хаггинсаи особенности конформаций отдельных молекул внутри доменов.Третья глава посвящена исследованию особенностей формирования кристаллическихламелей в полимерных расплавах в зависимости от жесткости и наличия структурныхдефектов в полимерной цепи. Для нескольких модельных систем выполнен расчет параметровпорядка микрофазного расслоения и степени кристалличности всей системы, а такжеконформационных характеристик отдельных молекул.В четвертой главе представлена разработанная схема огрубления для органическихрастворов лецитина и солей желчной кислоты и приведены результаты исследованияповедения системы при изменении состав раствора. Для удобства восприятия материаласделан общий обзор литературы для четвертой и пятой глав.Пятая глава посвящена исследованию водных растворов лецитина и солей желчнойкислоты.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
