項目類別：湖南省自然科學基金-面上
項目編號：2022JJ30311
項目規模：5萬
參與人員：李克文 等
起止日期：2022.1.1-2024.12.31
項目摘要：由于獨特的優勢，分子模擬方法在深入研究聚合物薄膜的結構和性質中極具潛力。然而，研究發現以往相關的分子模擬與實驗之間存在一些明顯的分歧。一般地，這些分歧可歸因于所采用的模型方法的缺陷。為彌合這些分歧，本項目繼續發展基于結構和體積性質的多尺度系統粗粒化方法，模擬雙軸拉伸過程得到聚合物薄膜玻璃結構模型。將該多尺度分子建模方法應用于多個典型的聚合物，在系統粗粒化模型的代表性和遷移性得到廣泛檢驗的基礎上，考察各種工藝條件對聚合物薄膜玻璃結構特征和基本熱力學性質的影響。多尺度模型結合了全原子模型的化學準確性和粗粒化模型計算高效性，而雙軸拉伸模擬允許實時地監控成膜過程，有望獲得更具代表性的聚合物薄膜玻璃模型。系列研究不僅有助于促進對聚合物薄膜玻璃性質受限效應的理解，而且為精準調控聚合物薄膜的性質奠定了堅實的理論基礎。
結題總結：盡管玻璃聚合物薄膜已得到廣泛地分子模擬研究，大多數工作聚焦于熱機械力學性質的受限效應。而對于如何產生有代表性的玻璃聚合物薄膜分子模型以及薄膜成型過程如何影響其性質缺乏系統的研究。本項目已取得的系列研究成果為回答上述這些問題提供了系統可行的方案。提出的基于電荷映射規則和基于應變能、熔融密度的多尺度方案為開發可狀態遷移的系統粗粒化勢、高效模擬極性聚合物體系熱機械力學性質提供了新思路，同時也為利用外電場有效調控玻璃聚合物薄膜性質提供了理論依據。提出的熔融狀態下的雙軸拉伸方案為模擬研究聚合物薄膜的穩定性、獲得臨界聚合物薄膜提供了新方法。提出的受物理氣相沉積啟發的玻璃聚合物薄膜分子建模方案可能擴展到高聚合物體系，產生同時包含自由表面和本體特征的穩定玻璃化聚合物薄膜分子模型，也為實驗上制備高性能的玻璃高聚物薄膜提供了新思路。發現的聚合物薄膜玻璃化轉變溫度的毛細波效應為建立可靠的聚合物薄膜模型以準確模擬其性質提供了依據。
相關成果的詳細目錄：
[1] C. Wu, Multiscale modeling of thermomechanical properties of stereoregular polymers, J. Mol. Mod. 2022, 28: 214
[2] C. Wu, Critical thicknesses of free-standing thin films of molten polymers: a multiscale simulation study, J. Phys. Chem. B 2022; 126(34): 6500–6510
[3] C. Wu, Temperature-transferable coarse-grained models for volumetric properties of poly(lactic Acid), J. Phys. Chem. B 2024, 128(1), 358-370
[4] C. Wu, Process dependent properties of glassy polymer films revealed by molecular dynamics simulations, Comput. Mat. Sci. 2024, 244, 113252
注：其它成果尚在整理和投稿階段。