模拟研究高分子经微管道的输运和分离项目摘要

模拟高分子链经微管道的输运,研究Rouse和Zimm链经管道的移位时间与链长、驱动力的标度关系，探索流体动力学作用对标度的影响。研究均聚高分子的输运规律与链与管道相互作用的关系，揭示相互作用改变链输运动力学性质的本质。模拟嵌段高分子和无规共聚高分子在不均匀管道中的输运，研究实现链选择性通过管道的条件。模拟包含不同结构高分子的多链系统在电场力作用下的不均匀微管道输运，研究管道对高分子链的开关作用以及临界驱动力与链结构的关系，提出高效分离链的理论方法。研究得到高分子在微管道输运的各种标度关系，阐明其动力学本质，合理解释一些实验结果，探索利用链与管道的相互作用分离不同的高分子链，提出分离链的实验方法。研究成果有助于研究蛋白质、糖通过生物膜，RNA透过核膜等生命过程，有助于研究DNA的快速分离和检测，对凝聚态物理的基础理论研究及生物技术的研究有重要的意义。

本项目主要研究了高分子链通过小孔或管道的动力学过程和规律。我们研究了高分子链的移位时间与链长、驱动力的标度关系，探索了链与管道相互作用和流体动力学作用对标度关系的影响，揭示了高分子穿孔动力学依赖于相互作用的物理原理。模拟了均聚高分子和嵌段高分子在人工设计的管道中的输运，得到了链选择性通过管道的条件，研究了管道对高分子链输运的开关作用，提出了高效分离链的理论方法。研究了嵌段高分子通过复合管道的输运，用自由能轮廓的理论解释了模拟结果，探索了利用人工复合管道控制高分子链的运动。研究了环境，特别是空间中的纳米粒子，对高分子穿孔过程的影响，指出了纳米粒子影响高分子穿孔的物理原因，得到了新的高分子穿孔规律。本项目的研究成果有助于研究蛋白质、糖通过生物膜，RNA透过核膜等生命过程，有助于研究DNA的快速分离和检测，对凝聚态物理的基础理论研究及生物技术的研究有重要的意义。

用来制备分离膜的高分子材料有许多种类。现在用的较多的是聚脂类和有机硅等。膜的形式也有多种，一般用的是平膜和空中纤维。推广应用高分子分离膜能获得巨大的经济效益和社会效益。例如，利用离子交换膜电解食盐可减少污染、节约能源:利用反渗透进行海水淡化和脱盐、要比其它方法消耗的能量都小;利用气体分离膜从空气中富集氧可大大提高氧气回收率等。

气体的输运现象概述

气体的输运现象又称为迁移现象。一个孤立系统，经过足够长的时间，最后总要达到平衡态。在趋向平衡态的过程中,由于动量的传递,气体各部分间的宏观相对运动将消失；由于能量的传递，气体各部分间的温度差异将消失；由于质量的传递，气体各部分间的密度差异也将消失。这些过程统称为输运过程。

气体的输运现象来源

气体的输运现象来源于分子间的碰撞，因而与气体分子的平均自由程有密切关系。在有限的容器中，平均自由程与容器线度相比的相对大小决定了输运过程的具体性质。平均自由程的大小由气体的压强决定，因而在不同压强下，有限容器如管道内气体的输运机理有很大差别。通常分以下三种情况：

①较高压强下,气体分子的平均自由程较小，即远小于管道的直径分子间的碰撞频率，远大于分子对器壁的碰撞频率，物理量的输运主要靠气体分子之间的碰撞。

②较低压强下,气体分子的平均自由程较大，即大于管道直径时，分子对器壁的碰撞频率大于分子间的碰撞频率，物理量的输运主要靠气体分子对器壁的碰撞。

③压强介于以上两种情况之间,即气体分子的平均自由程接近管道直径时，则需要综合考虑。