共聚是调控高分子材料结晶性能的有效手段, 因而共聚物链单元的序列结构对其结晶行为的影响机制是高分子结构与性能关系研究中的重要科学问题. 南京大学胡文兵课题组从可结晶共聚物链单元序列化学结构的分子建模出发, 围绕无规共聚物和嵌段共聚物序列结构对其结晶行为的调控机制, 总结了近年来采用动态蒙特卡罗(Monte Carlo)分子模拟方法所开展的相关研究进展. 以静态条件下温度调控结晶和动态条件下应变诱导结晶这两个方面为脉络, 结合线型低密度聚乙烯结晶、两嵌段共聚物自组装受限结晶和热塑性弹性体取向诱导结晶等典型应用案例, 旨在表明有效的分子建模有助于研究人员深入理解共聚物结晶的微观调控机制, 从而更好地从事高分子材料的基础研究和应用开发.

结晶为高分子材料带来了必要的强度和韧性, 是高分子材料结构与性能关系中重要的物理转变过程. 然而, 在聚合反应制备高分子材料时,分子链的化学结构单元容易出现各种各样化学的、几何的和立构的序列结构缺陷, 对应的常见材料分别有高密度和低密度聚乙烯(HDPE和LDPE)及各种热塑性弹性体(TPE)、天然和合成橡胶(顺式聚1,4-异戊二烯)和等规聚丙烯(iPP)等. 这些链单元的序列缺陷将抑制高分子结晶的分子间密堆砌, 降低高分子的结晶能力. 实际上, 可结晶高分子材料也常常通过人为地共聚引入化学序列结构缺陷, 给结晶行为带来化学受限效应, 从而有效调控结晶度, 如线型低密度聚乙烯(LLDPE). 因此, 作为高分子结晶的四个主要特点之一, 共聚物的结晶调控机制是高分子结构与性能关系研究中的重要基础研究课题. 另外, 与聚合物结晶发生近邻折叠类似,蛋白质的基本二级结构之一Beta折叠作为疏水内核为其天然结构带来热力学稳定性, 蛋白质Beta折叠受限于有限规整氨基酸序列长度所带来的物理化学效应. 所以, 共聚物结晶的化学受限机制也对我们深入理解蛋白质Beta折叠的调控机制具有重要的参考价值.

计算机分子模拟可桥接复杂高分子体系的实验研究和理论研究之间的鸿沟, 是高分子结构与性能关系研究的基本方法之一. 本文从可结晶共聚物的分子建模出发, 系统介绍近年来采用动态蒙特卡罗(Monte Carlo)分子模拟研究无规共聚物和嵌段共聚物结晶的微观机制所取得的主要进展. 内容将按照静态条件下温度调控结晶和取向加工动态拉伸条件下应变诱导结晶这两个方面展开,结合线型低密度聚乙烯结晶、两嵌段共聚物自组装受限结晶和热塑性弹性体应变诱导结晶等典型应用场景, 以期展示有效的分子建模对我们系统理解高分子结构与性能关系的重要作用, 鼓励更多的学者采用高分子的分子模拟来开展高分子材料的基础和应用研究, 并加强学术界和工业界的密切合作.