流场中单链高分子过孔输运的动力学行为-高分子学报.pdfVIP

第１０期 高　 分　 子　 学　 报 Ｎｏ.１０ ２０１５年１０月 ＡＣＴＡ ＰＯＬＹＭＥＲＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｏｃｔ.ꎬ２０１５ 流场中单链高分子过孔输运的动力学行为∗ 侯甲子　 张万喜　 李莉莉∗∗ (吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室　 长春　 １３００２２) 摘　 要　 采用布朗动力学方法ꎬ通过模拟不同温度和流速下ꎬ不同链长的单链高分子穿过纳米孔洞的动力学 行为ꎬ证实了临界流速的存在ꎬ并验证了理论预测的结果ꎬ即临界流量随体系温度线性增大ꎬ且与链长无关.还 对高分子链过孔输运时间以及输运过程中链构象的变化进行了研究.模拟结果为明晰在剪切流场中高分子 穿过纳米孔洞的动力学行为提供了有益参考. 关键词　 高分子输运ꎬ临界流量ꎬ输运时间ꎬ布朗动力学 [５] 　 　 近年来ꎬ人们对高分子通过纳米孔洞的输运 Ｍｕｔｈｕｋｕｍａｒ等 在理论上提出了一维自由扩散 [１] 过程产生了极大的兴趣 .对其进行深入研究不 模型ꎬ并把高分子链穿越纳米管道的输运过程分 仅增进了人们对一些生物现象如蛋白质的跨膜运 为３个阶段ꎬ即入孔阶段、输运阶段和出孔阶段ꎬ 输、ＲＮＡ分子穿过核孔进出细胞核和病毒侵入细 很好的解释了一些实验现象.人们还采用了多种 [２] 模拟方法对高分子链穿越纳米孔洞的行为进行了 胞等 的微观机理的了解ꎬ还为一些潜在的工程 技术的应用如快速ＤＮＡ分子排序、基因治疗和药 研究[１０ꎬ１１]. 本文采用布朗动力学 (Ｂｒｏｗｎｉａｎ [３] ｄｙｎａｍｉｃｓ)方法模拟单链高分子过孔输运的动力 物传递控制等 提供了理论依据. 因此ꎬ人们对 高分子通过纳米孔洞的输运过程做了大量的实 学行为ꎬ详细研究了链长和体系温度对临界流量 验[４~１１]、理论[１２~１４]和模拟研究[１５~１８]. 的影响ꎬ并统计了过孔输运的时间和链构象变化ꎬ 高分子链在穿过纳米孔洞时受到空间几何约 为进一步明晰在剪切流场下高分子过孔输运行为 束ꎬ其构象熵会随之减小ꎬ并伴随着能量的增 提供了有益的参考. [３] 加 .为了克服在输运过程中高分子链的熵势垒 １　 模型和模拟方法 并且加快输运过程ꎬ实验中通常需要加入一个外 [４] [５] 模拟在尺寸为(Ｌ ꎬＬ ꎬＬ )的管道中进行ꎬ管 场如电场 、化学势梯度 和膜一侧的选择性吸 ｘ ｙ ｚ [５] 附 等.受到流场的影响ꎬ溶液或分散体系中的 道中间设置了一个底面半径为Ａꎬ沿ｘ 方向长为Ｌ 长链高分子可穿过远小于其自身尺寸的纳米孔 的圆柱形狭窄孔洞ꎬ如图１所示.相关参数设置为 [６] 洞 .理论认为ꎬ存在着一个临界流速Ｊ (定义为ｃ Ｌ ＝８０σꎬＬ ＝Ｌ ＝２０σꎬＡ ＝Ｌ＝３σ.高分子链粗粒化ｘ ｙ ｚ 单位时间内流过孔洞的溶液体积)ꎬ决定了高分 为珠簧链模型ꎬ即相邻链单元由ＦＥＮＥ势能相连 子链能否穿过纳米孔洞[７~９].同时ꎬ理