稀溶液中大幅拉伸高分子单链的弛豫动力学

doi:10.7503/cjcu20240037

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 20240037.doi: 10.7503/cjcu20240037

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稀溶液中大幅拉伸高分子单链的弛豫动力学

姚宁¹, 王海军¹^,²^,³(), 李江涛¹, 顾芳¹, 廖琦⁴()

^1.河北大学化学与材料科学学院
^2.河北省化学生物学重点实验室
^3.药物化学与分子诊断教育部重点实验室，保定 071002
^4.中国科学院北京化学研究所, 北京 100190

收稿日期:2024-01-21 出版日期:2024-04-10 发布日期:2024-03-08
通讯作者: 王海军,廖琦 E-mail:whj@hbu.edu.cn;qiliao@iccas.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21973103);河北省中央引导地方科技发展资金(236Z7601G);河北省自然科学基金(B2022201050);河北大学多学科交叉研究项目(DXK202112)

Relaxation Dynamics of a Highly Stretched Single Polymer Chain in a Dilute Solution

YAO Ning¹, WANG Haijun¹^,²^,³(), LI Jiangtao¹, GU Fang¹, LIAO Qi⁴()

^1.College of Chemistry and Materials Science
^2.Chemical Biology Key Laboratory of Hebei Province
^3.Key Laboratory of Medicinal Chemistry and Molecular Diagnosis，Ministry of Education，Hebei University，Baoding 071002，China
^4.Institute of Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

Received:2024-01-21 Online:2024-04-10 Published:2024-03-08
Contact: WANG Haijun, LIAO Qi E-mail:whj@hbu.edu.cn;qiliao@iccas.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21973103);the Central Guidance on Local Science and Technology Development Fund of Hebei Province, China(236Z7601G);the Natural Science Foundation of Hebei Province, China(B2022201050);the Interdisciplinary Research Program of Natural Science of Hebei University, China(DXK202112)

摘要/Abstract

摘要：

针对大幅拉伸的高分子单链在 $Θ$ 溶剂和良溶剂中的弛豫过程, 分别通过解析理论和分子动力学模拟方法研究了弛豫动力学. 对比研究发现，相对于研究高分子链在平衡态下的弛豫动力学(利用有关物理量的自关联函数), 本文的非平衡态方法可以明确地揭示弛豫时间与简正模式之间标度行为的动态演化. 结果表明, 相关的物理量在弛豫初期均受到非平衡态的影响, 而在较长时间后, 高分子链的弛豫动力学则与平衡态下的结果相吻合；在高分子链的最长弛豫时间与链长的标度关系方面, 平衡态和非平衡态两种方法的研究结果也一致. 研究结果表明, 高分子链在非平衡态下的短时和长时弛豫动力学可以更加细致地阐明弛豫全过程, 给出更加丰富的结构-特征关系, 从而为深入探讨高分子链的非平衡弛豫提供可借鉴的线索.

关键词: 高分子单链, 弛豫动力学, 简正模式, 弛豫时间

Abstract:

For the relaxation of a highly stretched single polymer chain in dilute solutions of various solvent qualities， the relaxation dynamics was investigated through the methods of analytical theory and molecular dynamics（MD） simulation. To facilitate the comparison， the equilibrium and non-equilibrium routes were employed in the simulations， where the equilibrium route is performed by using the self-correlation function of related physical quantities. The reason for using the non-equilibrium route is that it is directly related to many practical processes， and the dynamic evolution of the scaling behavior between the relaxation time and normal modes can be present clearly. Consequently， it is found that at the initial stage of relaxation， some physical quantities would be influenced by the non-equilibrium initial state of the polymer chain， while after a certain time， the relaxation dynamics is consistent with that predicted the equilibrium state. Meanwhile， the two routes showed the same scaling behavior between the longest relaxation time and chain length. The non-equilibrium route is therefore helpful to investigate the whole relaxation process of a polymer chain， thereby giving more information of structure-property. It is expected that such an effort can provide some useful clues to pertinent topics.

Key words: Single polymer chain, Relaxation dynamics, Normal mode, Relaxation time

中图分类号:

O631

TrendMD:

姚宁, 王海军, 李江涛, 顾芳, 廖琦. 稀溶液中大幅拉伸高分子单链的弛豫动力学. 高等学校化学学报, 2024, 45(4): 20240037.

YAO Ning, WANG Haijun, LI Jiangtao, GU Fang, LIAO Qi. Relaxation Dynamics of a Highly Stretched Single Polymer Chain in a Dilute Solution. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20240037.

图/表 3

Fig.1 Dependence of Xp2t on mode p for the relaxation of a highly stretched linear chain of length N under various solvent qualities（A） Phantom chain with N=1001；（B） a chain of N=1001 in an implicit good solvent；（C） a chain of N=201 in an explicit good solvent. t0=1000τLJ .

Fig.2 Dependence of Rex(t) and -4Xpx(t) on time t at the relaxation of a chain under various solvent qualities（A） Phantom chain of N=1001；（B） a chain of N=1001 in an implicit good solvent；（C） a chain of N=201 in an explicit good solvent.

Fig.3 Dependence of the longest relaxation time(τmax) on the chain length(N) for the relaxation of a polymer chain under different conditions（A） In implicit and explicit Θ solvents；（B） in implicit and explicit good solvents， where the corresponding results are obtained by the equilibrium and non-equilibrium routes， respectively.

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Relaxation Dynamics of a Highly Stretched Single Polymer Chain in a Dilute Solution

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