浸润特性调制的统计热力学研究

浸润现象由于其在自然界与技术实践中的普遍存在，一直吸引着多个学科领域持久不衰的研究努力。本项目拟用经典密度泛函理论（DFT）探索：(1)固体底物表面的几何与化学非均一性、及其分布，(2) 固体表面接枝高分子之密度、高分子类型、链长、单体相互作用势参数，(3) 添加微量物质成份之浓度、球状分子还是链状分子、微量成份分子之间、及与浸润或退浸润物质分子之间相互作用参数、固体表面对微量成份施加的力场这三类因素对接触角、浸润温度等的影响，以及这些因素的协同效应；从而得出有效调控浸润现象的普遍规律,为浸润相关新技术的探索提供普遍的理论指导，指出新技术可能的发展方向。在上面经典DFT研究的普遍结论之基础上，通过第一性原理计算圆柱状孔壁对聚合物熔体的吸引力场，再使用巨正则系综TMMC模拟精确计算聚合物熔体的浸润温度在上述三种浸润现象调控途径中随相应参数的变化，为新技术的实验探索提供准确可靠的分子参数信息。

本项目探索固体底物表面的几何与化学非均一性、添加微量物质成份及其浓度等因素对接触角、浸润温度等的影响，以及这些因素的协同效应；为浸润相关新技术的探索提供普遍的理论指导与可靠的分子参数信息。目前取得了下面的显著成果；在此基础上，经过后续工作，能达到项目预定目标。.1：提出了适合精确计算任意体系、任意极端情形时浸润温度的统计力学方法。而传统的零接触角方法与预浸润外推方法被揭示具有如下缺点：零接触角方法只适合于计算发生于理想平滑表面之浸润相变温度，不能用于具有几何与化学非均一性固体底物表面情形（这一点被当前大多数文献所忽视）。预浸润外推方法具有不确定性；此外，它只适合于非低温与非强吸附表面浸润相变温度的计算，而对于强吸附表面，由于预浸润相变与层状相变共存而难以应用；对于接近体相临界温度所发生的浸润相变，由于预浸润相变区域太小，故也不适合。.2：我们计算了不同掺杂方式表面对于一些气体的吸附力场，相关的数据部分已经发表。在此基础上，可以利用1）中所提出的方法计算这些气体在这些掺杂表面所发生的包括浸润相变在内的表面相行为，从而为实验探索提供准确可靠的分子参数信息。.3：具有几何与化学非均一性固体底物表面涉及到二维或三维密度分布；而二维、三维空间离散化CDFT方程所得到的非线性方程组含有多达104乃至105个未知数、再者预浸润、浸润涉及的密度分布是高度震荡的。因此，我们设计了一个快速收敛且稳定的数值求解CDFT的算法并用Fortran95实现了该算法。在表面电荷离散分布，余弦曲线表面浸润、预浸润相变、余弦曲线表面之间有效相互作用等的计算中测试了程序代码。.4：通过应用本项目负责人于2006年提出的耦合参数级数展开，计算了常见的van der Waals模型势的高温级数展开前七阶系数，从而构建了七阶热力学摄动理论；与模拟数据对比表明：前七阶系数以及七阶热力学摄动理论对热力学特性的预言很精确，并可以应用于对比温度低到0.5的低温情形。从而为包括预浸润、浸润相变在内的表面相行为的CDFT方法提供了可靠的输入信息。而分子间相互作用势所包括的硬核排斥项、van der Waals吸引项、静电项、以及键联项中，van der Waals吸引项对中性体系表面浸润、预浸润相变、层状相变等影响最为关键，而本项目负责人于2010年提出的针对该吸引项的超越平均场近似也必须以体相自由能表达式作为输入。

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