半柔性管状聚合物的微结构化蠕虫链模型（英文）

考虑半柔性管状聚合物的结构特征和构成材料的各向异性特性,建立了描述其统计热力学行为的微结构化蠕虫链模型,给出了半柔性管状聚合物拉伸特性与排斥体积的解析解.分析了微管这一典型管状聚合物的统计力学性质.结果表明,在1~20μm这一细胞生物学最重要的长度区间内,微管的抗拉刚度k和平均排斥体积V与其几何长度L之间的尺度关系分别为k^L^(-1.3)和V^L^(2.5),明显区别于经典聚合物的k^L^(-4)和V^L^4.微管这些独特的力学性质在其捕获与定位细胞器时发挥着重要作用.

基于蠕虫链模型的半刚性单链高分子的结构因子

生物高分子、液晶高分子和共轭高分子都是具有半刚性性质的一维线型链状分子.半刚性高分子的链长与高分子的持久长度在同一数量级,蠕虫链是最好的用来研究这类半刚性高分子统计性质的理论模型之一.其特性表现为高分子键的取向极大地影响统计行为,同时链的不可伸长性约束了高分子链的构象.这些性质可以通过结构因子的分析来开展研究.结构因子是描述体系在各个尺度上密度关联的物理量,是联系散射实验和高分子理论研究的桥梁,既可以通过散射实验测量,也可以通过理论上对链模型对应的传播子积分得到.由于蠕虫链模型的构象同时依赖位置和取向自由度,因而严格求解其传播子非常困难.这严重限制了蠕虫链模型场论理论的发展,特别是限制了应用高斯涨落理论进行有序结构的稳定性分析.本文综述了广泛采用的蠕虫链模型结构因子的渐近解和经验公式,并着重介绍近年来严格求解结构因子的最新进展.通过分析结构因子在不同波数区域上的标度规律,展示了蠕虫链模型的多尺度特点,以及其他经典的高分子链模型的关系.

受约束高分子链的拉伸

高分子生物材料微观力学性质的定量刻画,以及先进生物微纳米技术与器件的发展,均需要定量分析生物大分子等高分子链在复杂微环境中的统计热力学性质与行为.在实现这一目标的过程中,连续介质力学与统计热力学的交叉研究扮演着很重要的角色.针对这一领域的力学问题,该综述先从DNA分子的受力拉伸出发,通过引入描述高分子链统计热力学性质的几类理论模型,指出了蠕虫链相较其他理想随机链模型在描述半柔性高分子链力与构型变化关系时具有较为显著的优势,从而使得人们对高分子在复杂微环境下,统计热力学性质与行为的定性与定量认识在很大程度上取决于基于蠕虫链模型的相关研究进展.根据这一事实,通过回顾与梳理空间几何约束对高分子链随机构象分布影响、高分子链在拉力与约束同时作用的统计热力学建模、以及基于高性能计算机的高分子链统计物理性质仿真等各方面研究的现状,系统总结了蠕虫链在不同约束与受力微环境下,其统计热力学性质与行为研究的最新进展和依旧存在的挑战性难题.最后,通过总结分析,指出了蠕虫链在复杂微环境下的统计热力学研究是从分子与细胞尺度理解生命现象、发展先进微纳米技术以及构建软物质本构关系的重要基础,目前已成为极富挑战性的力学交叉科学前沿课题.

蠕虫状链模型下梳状共聚物分子的均方回转半径的理论分析及其在聚羧酸系减水剂分子中的应用

利用蠕虫状链模型对梳状共聚物分子的均方回转半径进行了理论分析,建立了回转半径与主链轮廓长度、主链持久长度、侧链轮廓长度、侧链持久长度、侧链数目以及侧链沿主链的分布情况(均匀分布和梯度分布)之间的定量数学关系.在此基础上,以被称为"第一代聚羧酸系高性能减水剂"(以下简称为MPEG-type PCE)的甲基丙烯酸(MAA)/烯酸甲酯(MAA-MPEG)梳状共聚物分子为研究对象,结合实验数据,对其聚电解质主链的持久长度进行了分析,并考察了主侧链长度、刚柔性、侧链分布、接枝密度等分子结构参数对PCE回转半径的影响,最后对模型的局限性作简要说明.梳状共聚物分子的蠕虫状链模型物理图像简洁,参数意义明确,应用于PCE分子体系时较之前所报道的柔性链模型要更为合理,能够为分析PCE的分子结构与溶液构象和吸附构象之间的关系提供更科学的视角.

单分子磁镊测量Lambda DNA的拉伸曲线

单分子操纵技术近年来在生物实验方面的应用日趋广泛。通过单分子操纵技术可对生物进行系统地操控,由此采集到的定量数据需要发展定量模型来处理。本文基于单分子操纵技术,主要介绍利用单分子磁镊测量Lambda DNA拉伸曲线的方法,展示了基本物理模型在生物学研究中的应用。使用蠕虫链模型(WLC模型)对实验测量得到的拉伸曲线进行分析,从物理学角度展示了Lambda DNA在热涨落的影响下平滑地弯曲,发生熵形变。此外,本文还介绍了该实验的改进措施及其研究进展。我们希望本文能为在本科阶段物理实验教学中开展单分子磁镊实验提供参考,使本科生初步了解基本物理原理和模型在生物物理学中的应用。

温度影响下DNA分子欧拉临界力模拟研究

本文基于蠕虫链模型,建立DNA分子微力学模型,利用Monte Carlo模拟方法研究DNA分子力学性质,考量链长以及温度对DNA分子欧拉临界力的影响。模拟研究发现,随着DNA长度增加DNA欧拉临界力变小,并且DNA临界力随温度升高呈减小的趋势,其模拟结果与理论结果符合良好。

对称柔性-半刚性-柔性三嵌段共聚物自组装行为

基于蠕虫状链模型和高斯链模型的自洽场理论研究了对称柔性-半刚性-柔性三嵌段共聚物在二维空间中的相行为.在设定的计算参数下得到了多种该体系的热力学平衡态相结构,包括各向同性Isotropic相、各向异性Nematic相、层状Smectic-C相、四角柱状相、斜交型冰球状相、断层型冰球状相和稻粒状结构.与刚-柔两嵌段共聚物相比,对称柔性-半刚性-柔性三嵌段共聚物更容易形成Smectic-C相.在柱状相结构中,在柔性嵌段的牵伸作用下半刚性嵌段在液晶相区中相互穿插,从而形成菱形和长方形液晶相区.当取向相互作用较强时,半刚性嵌段沿长方形液晶相区的短边方向出现2次折叠.为进一步探索高分子折叠现象产生的原因以及液晶成核机理奠定了理论基础.

多检测器凝胶色谱测定海藻酸钠的摩尔质量及其分布和稀溶液构象

本文用多检测器凝胶色谱技术测定了2种化学结构类似但动力黏度不同的海藻酸钠的摩尔质量及其分布和特性黏数([η])、Mark-Houwink指数(α)、流体力学半径(R_(h))及均方回转半径(R_(g))等参数.通过Mark-Houwink曲线,R_(g),R_(h)νs.M_(w)曲线,形状因子ρ,及蠕虫链模型对样品的稀溶液构象进行了分析.实验证明2个样品均为单一分布的海藻酸钠,其动力黏度的差异由其摩尔质量及其分布的不同所导致.构象分析显示在该溶解体系下,样品构象受摩尔质量的影响,以5×10^(5) g·mol^(-1)为界,摩尔质量较小的分子链呈刚性略强的伸展链构象,而摩尔质量较大的分子链则呈柔性的无规线团构象.