星型、打结等高分子链的构象及动力学行为研究

论文摘要

高分子材料具有非常好的力学性质,存在着多样性。本文主要针对一些特殊结构的高分子如环型高分子、星型高分子和打结高分子,进行构象性质、力学性质及动力学行为等相关方面的统计分析和模拟计算。深入研究高分子材料的性质与结构的关系,能帮助我们进一步提高材料的性能,发展新的材料。环型高分子和星型高分子由于其重要而特殊的性质在各领域得到了广泛的应用。在本文第二章中,基于键长涨落模型,对环型高分子链和星型高分子链的弹性行为进行了Monte Carlo模拟研究。通过计算分子链的均方回转半径和形状因子等参数记录了高分子链的尺寸和形状及其变化过程。同时,高分子链构象在拉伸过程中的变化会引起热力学性质的变化,如平均能量、自由能A等。g因子能够大致描绘出环型或星型高分子链与线型高分子链的结构相似程度,模拟的结果显示：它们在拉伸过程中都是减小的。另外,还研究了不同拉伸状态下,不同官能度厂的星型高分子链的散射因子,星型高分子“核心”的不可穿透性导致了渗透压的不连续,反应到散射函数曲线上有一个峰值。在本文第三章中,采用PERM （Pruned-Enriched-Rosenbluth Method）算法,基于简立方格点上的自避行走模型,首先研究了受限于平行界面之间的星型高分子链和线型高分子链的构象性质和弹性力学行为,并将两种结果进行了比较。模拟结果表明：如果界面对高分子链有吸附作用,界面之间距离D的增大需要外力的作用；如果界面对链没有吸附作用,则D的增大是一个自发的过程,无需外力的作用。为了更细微地了解星型链和线型链的微观结构及力学行为,还统计了受限高分子链在平行界面之间的各种微观构型如train, loop, bridge, tail,并作了讨论。接着研究了吸附在粗糙表面上的三维高分子单链的构象变化过程及弹性力学行为。除了关注高分子链的形状尺寸变化,还计算了粗糙表面上不同区域的吸附片断分数和,从而进一步了解了高分子链的解吸附过程；通过计算热力学参数——自由能和弹性力f分析了高分子链在解吸附过程中的受力情况,解释了高分子链在脱离粗糙表面过程中的驱动机制,结果表明：粗糙表面的凹凸不平或许会导致吸附的高分子链在脱离表面的行为中存在一段自发的过程。将力谱与表面的粗糙程度和吸附强度相联系,体现了强吸附作用和表面的粗糙对这个弹性过程有重要的影响。本文第四章主要研究了高分子的一些动力学行为。首先采用拉伸分子动力学的方法研究聚亚甲基链中的缠结对分子链的结构、性质及拉伸行为的影响。不断增大的末端距R逐渐导致一个不断紧密的结和一个不断伸展的分子链轮廓。通过对分子链的一些微观结构和热力学性质的计算,进一步证明了结的存在会减弱分子链的强度,并且最容易在结附近断裂的事实。键长、键角、两面角和能量的分布及其在拉伸过程中的变化能够帮助确定结在链中的定位,分析结的尺寸。接着同样运用拉伸分子动力学方法研究吸附在表面上的星型分子链的拉伸行为。在整个拉伸过程中,拉伸距离Z出现三个特征值Zc,Zf和Z0,这些值随着链长的不同而不同。当分子链被拉伸到Z=Zc时,分子链从表面剥离,但是由于表面存在9-3 LJ形式的作用势,在Z=Zc到Z=Zt这个过程中,分子链仍然受到表面的微弱吸附,从Z=Zt开始,分子链脱离了表面的影响范围。另外,在得到的力谱曲线上有多个平台,分别可以代表不同的拉伸阶段,这和线型分子链的情况是有显著区别的。最后,基于PERM算法,细致地研究了紧密高分子链从小球穿过小孔进入大球的传输过程。对自由能势垒的研究是最有意义的。一方面,存在一个化学势能梯度推动高分子链离开小球；另一方面,紧密链从小球穿过小孔进入大球的过程中都存在一个自由能势垒,因为在这个过程中分子链必须伸展,从而破坏了单体单元间的一些接触对作用,由此导致了分子链的自由能增大。该工作对了解蛋白质是如何进入细胞质,细菌是如何进入细胞等基础问题提供一定的参考。蛋白质是生命机体的基本组成部分,结构的不同必然会导致其功能和行为的不同。在本文第五章中,主要基于粗粒化模型对打结结构的蛋白质分子中的20种氨基酸形成紧密接触对的几率进行研究,并且与不打结的情况作了对比分析,为打结的成因提供了一些信息。在研究中,分别对蛋白质数据库中全部的273个打结蛋白质分子和其它9000个不打结的蛋白质分子进行成分和结构统计。经过成分分析,可以得到这样的结论：在打结结构中,亮氨酸Leu的含量最多,占有最大的成分比例9.62%。对紧密接触对的统计结果显示打结结构中的长程紧密接触对平均数目要普遍大于不打结结构中的长程紧密接触对数目,说明氨基酸的长程紧密接触对对蛋白质打结起了很重要的作用。另外,还比较了打结蛋白质分子和不打结蛋白质分子的形状分布,发现结的存在将使蛋白质分子结构更似球状。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高分子的结构和性能
• 1.1.1 高分子的近程结构
• 1.1.2 高分子的远程结构
• 1.1.3 高分子的性能
• 1.2 环型高分子和星型高分子
• 1.2.1 环型高分子的具体特性及应用
• 1.2.2 星型高分子的具体特性及应用
• 1.2.3 表征环型高分子链尺寸参数的理论推导
• 1.2.4 表征规整星型高分子链尺寸参数的理论推导
• 1.3 打结高分子
• 1.4 本文的研究背景、主要内容和意义
• 1.4.1 实验研究和模拟研究
• 1.4.2 本文研究的内容和意义
• 参考文献
• 第二章 环型与星型高分子链的弹性行为研究
• 2.1 研究背景
• 2.1.1 高分子的力学行为
• 2.1.2 单分子力学
• 2.2 环型高分子链的弹性行为研究
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 模型和计算方法
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.4 小结
• 2.3 规整星型高分子链的弹性行为研究
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 模型和计算方法
• 2.3.3 结果与讨论
• 2.3.4 小结
• 参考文献
• 第三章 受限高分子链的构象性质和弹性行为的研究
• 3.1 PERM算法（Pruned-Enriched-Rosenbluth Method）
• 3.2 受限于平行界面之间的星型高分子链的构象性质和弹性行为的研究
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 平行界面模型
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.4 小结
• 3.3 吸附在粗糙表面的高分子单链的构象性质和弹性行为的研究
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 粗糙表面模型
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 打结、星型高分子链的拉伸分子动力学研究
• 4.1 分子力学方法和分子动力学方法
• 4.1.1 分子力学方法
• 4.1.2 分子动力学方法
• 4.2 打结高分子链的拉伸分子动力学模拟
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 模型与方法
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.2.4 小结
• 4.3 吸附的星型高分子链的拉伸分子动力学模拟
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 模型与方法
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.3.4 小结
• 4.4 高分子链通过小孔从小球穿出的自由能势垒
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 模型与方法
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 打结蛋白质分子的结构统计性质
• 5.1 蛋白质的结构和功能
• 5.1.1 蛋白质的重要作用
• 5.1.2 蛋白质的组成和结构
• 5.1.3 蛋白质的种类和功能
• 5.1.4 蛋白质的结构与功能的关系
• 5.2 打结蛋白质分子的结构统计性质
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 紧密接触对的概念
• 5.2.3 粗粒化蛋白质分子模型
• 5.2.4 组成成分
• 5.2.5 紧密接触对统计
• 5.2.6 形状分布
• 5.2.7 小结
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢