模擬研究高分子經(jīng)微管道的輸運和分離

本項目主要研究了高分子鏈通過小孔或管道的動力學過程和規(guī)律。我們研究了高分子鏈的移位時間與鏈長、驅(qū)動力的標度關(guān)系，探索了鏈與管道相互作用和流體動力學作用對標度關(guān)系的影響，揭示了高分子穿孔動力學依賴于相互作用的物理原理。模擬了均聚高分子和嵌段高分子在人工設(shè)計的管道中的輸運，得到了鏈選擇性通過管道的條件，研究了管道對高分子鏈輸運的開關(guān)作用，提出了高效分離鏈的理論方法。研究了嵌段高分子通過復合管道的輸運，用自由能輪廓的理論解釋了模擬結(jié)果，探索了利用人工復合管道控制高分子鏈的運動。研究了環(huán)境，特別是空間中的納米粒子，對高分子穿孔過程的影響，指出了納米粒子影響高分子穿孔的物理原因，得到了新的高分子穿孔規(guī)律。本項目的研究成果有助于研究蛋白質(zhì)、糖通過生物膜，RNA透過核膜等生命過程，有助于研究DNA的快速分離和檢測，對凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)理論研究及生物技術(shù)的研究有重要的意義。

模擬高分子鏈經(jīng)微管道的輸運,研究Rouse和Zimm鏈經(jīng)管道的移位時間與鏈長、驅(qū)動力的標度關(guān)系，探索流體動力學作用對標度的影響。研究均聚高分子的輸運規(guī)律與鏈與管道相互作用的關(guān)系，揭示相互作用改變鏈輸運動力學性質(zhì)的本質(zhì)。模擬嵌段高分子和無規(guī)共聚高分子在不均勻管道中的輸運，研究實現(xiàn)鏈選擇性通過管道的條件。模擬包含不同結(jié)構(gòu)高分子的多鏈系統(tǒng)在電場力作用下的不均勻微管道輸運，研究管道對高分子鏈的開關(guān)作用以及臨界驅(qū)動力與鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提出高效分離鏈的理論方法。研究得到高分子在微管道輸運的各種標度關(guān)系，闡明其動力學本質(zhì)，合理解釋一些實驗結(jié)果，探索利用鏈與管道的相互作用分離不同的高分子鏈，提出分離鏈的實驗方法。研究成果有助于研究蛋白質(zhì)、糖通過生物膜，RNA透過核膜等生命過程，有助于研究DNA的快速分離和檢測，對凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)理論研究及生物技術(shù)的研究有重要的意義。

用來制備分離膜的高分子材料有許多種類?，F(xiàn)在用的較多的是聚脂類和有機硅等。膜的形式也有多種，一般用的是平膜和空中纖維。推廣應用高分子分離膜能獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。例如，利用離子交換膜電解食鹽可減少污染、節(jié)約能源:利用反滲透進行海水淡化和脫鹽、要比其它方法消耗的能量都小;利用氣體分離膜從空氣中富集氧可大大提高氧氣回收率等。

氣體的輸運現(xiàn)象概述

氣體的輸運現(xiàn)象又稱為遷移現(xiàn)象。一個孤立系統(tǒng)，經(jīng)過足夠長的時間，最后總要達到平衡態(tài)。在趨向平衡態(tài)的過程中,由于動量的傳遞,氣體各部分間的宏觀相對運動將消失；由于能量的傳遞，氣體各部分間的溫度差異將消失；由于質(zhì)量的傳遞，氣體各部分間的密度差異也將消失。這些過程統(tǒng)稱為輸運過程。

氣體的輸運現(xiàn)象來源

氣體的輸運現(xiàn)象來源于分子間的碰撞，因而與氣體分子的平均自由程有密切關(guān)系。在有限的容器中，平均自由程與容器線度相比的相對大小決定了輸運過程的具體性質(zhì)。平均自由程的大小由氣體的壓強決定，因而在不同壓強下，有限容器如管道內(nèi)氣體的輸運機理有很大差別。通常分以下三種情況：

①較高壓強下,氣體分子的平均自由程較小，即遠小于管道的直徑分子間的碰撞頻率，遠大于分子對器壁的碰撞頻率，物理量的輸運主要靠氣體分子之間的碰撞。

②較低壓強下,氣體分子的平均自由程較大，即大于管道直徑時，分子對器壁的碰撞頻率大于分子間的碰撞頻率，物理量的輸運主要靠氣體分子對器壁的碰撞。

③壓強介于以上兩種情況之間,即氣體分子的平均自由程接近管道直徑時，則需要綜合考慮。