项目类别：湖南省自然科学基金-面上
项目编号：2022JJ30311
项目规模：5万
参与人员：李克文 等
起止日期：2022.1.1-2024.12.31
项目摘要：由于独特的优势，分子模拟方法在深入研究聚合物薄膜的结构和性质中极具潜力。然而，研究发现以往相关的分子模拟与实验之间存在一些明显的分歧。一般地，这些分歧可归因于所采用的模型方法的缺陷。为弥合这些分歧，本项目继续发展基于结构和体积性质的多尺度系统粗粒化方法，模拟双轴拉伸过程得到聚合物薄膜玻璃结构模型。将该多尺度分子建模方法应用于多个典型的聚合物，在系统粗粒化模型的代表性和迁移性得到广泛检验的基础上，考察各种工艺条件对聚合物薄膜玻璃结构特征和基本热力学性质的影响。多尺度模型结合了全原子模型的化学准确性和粗粒化模型计算高效性，而双轴拉伸模拟允许实时地监控成膜过程，有望获得更具代表性的聚合物薄膜玻璃模型。系列研究不仅有助于促进对聚合物薄膜玻璃性质受限效应的理解，而且为精准调控聚合物薄膜的性质奠定了坚实的理论基础。

结题总结：尽管玻璃聚合物薄膜已得到广泛地分子模拟研究，大多数工作聚焦于热机械力学性质的受限效应。而对于如何产生有代表性的玻璃聚合物薄膜分子模型以及薄膜成型过程如何影响其性质缺乏系统的研究。本项目已取得的系列研究成果为回答上述这些问题提供了系统可行的方案。提出的基于电荷映射规则和基于应变能、熔融密度的多尺度方案为开发可状态迁移的系统粗粒化势、高效模拟极性聚合物体系热机械力学性质提供了新思路，同时也为利用外电场有效调控玻璃聚合物薄膜性质提供了理论依据。提出的熔融状态下的双轴拉伸方案为模拟研究聚合物薄膜的稳定性、获得临界聚合物薄膜提供了新方法。提出的受物理气相沉积启发的玻璃聚合物薄膜分子建模方案可能扩展到高聚合物体系，产生同时包含自由表面和本体特征的稳定玻璃化聚合物薄膜分子模型，也为实验上制备高性能的玻璃高聚物薄膜提供了新思路。发现的聚合物薄膜玻璃化转变温度的毛细波效应为建立可靠的聚合物薄膜模型以准确模拟其性质提供了依据。

相关成果的详细目录：

[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阶段。