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第三章 分子力学—动力学模型与粘接

1、引言:分子力学研究一个或多个分子的非键合原子的相互作用,它能够决定某种结构的空间构型或邻近分子导致的构型转变,概括地说,分子力学是分子结构、相互作用及其变化的模型,以及根据物理和物理化学第一定律从分子水平得出的宏观和微观性能,通俗地讲,它是一种在含义上得到延伸的计算技术,但也远不止这些,分子力学是利用分子、原子第一定律解释物理现象的先进技术。在广义的粘接领域,已经进行了许多不同的前沿课后题的研究,内容如下:
■普通颗粒与普通表面或普通颗粒与普通颗粒的粘接研究;
■分子水平定义的聚合物与分子水平定义的表面之间的粘接研究;
■动力学研究,微分和竞争吸附,即在溶剂存在下,分子定义的低聚物和表面的粘接;

2、分子学中使用的运算法则:分子力学的体系和模型多种多样,既可以是键长和键角的同时变化以及键的旋转,也可以假定共价结合的原子在推算过程中没有调整和变化,键长和键角固定在某特殊值,不能说某种体系一定比另一种体系好,因为在解决特定问题时,可能某种体系更加适用,应该根据研究的具体问题加以选择。前者是自由力场方法的代表,容易理解,后者是限制力场方法的代表,计算更加快捷,对于聚合物之类的大分子特别适用;

3、普通的颗粒-表面和颗粒-颗粒模型:颗粒粘接的激励和粘接应力导致的变形,进行了很长的试验和理论研究,大部分研究方法采用的是热力学原理[如Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型],而不是分子观点。第一次采用分子观点处理这种问题的是Derjaguin等人提出的Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)新粘接模型,不久又提出了Muller-Yushchenko-Derjaguin(MYD)模型,假设粘接力(即颗粒与基体表面之间的相互作用)可以用Lennard-Jones)势能函数来表示;

4、明确的聚合物与表面之间的粘接模型:
a.与已经提出的普遍方法相反,分子水平上明确的聚合物与聚合物之间,以及与分子水平上明确的基体之间存在同样的粘接模型。分子力学和动力学以更加容易接受的放在在这些模型中得到应用,必须认识到这些模型是因为需要而产生的,与在普通模型的基础发展不同,在实验方法耗时太长和粘接效果不明显的情况下,为了解决粘接应用问题,提高粘接体系的使用性能,产生了这些模型;
b.采用该方法的所有研究工作应用于实际情况而不是理想的模型,是一个大杂烩,研究工作得到了最广泛的试验和工业结果的直接或者间接支持,证明采取分子力学预测的措施能够有效提高粘接和粘接体系的性能,虽然这种方法还只是开始使用,但对粘接和界面科学的基础产生了非常有趣的影响,为将来取得更大的进展提供了条件和机会;

5、分子体系的动力学粘接模型:
a.分子力学能够很好的描述上述裱花,但在前面使用的方法非常局限于静力学的情况,动力学情况也能很好的描述,但需要通过静力方法计算前后一系列的有限步骤,确定已经发生或者正在发生的情况,即使最现代化的分子和动力学方法也是采用这种方式,但对于一个使用者来说似乎不同,但任何自动分子力学或者动力学计算方法仍然是通过大量小甚至无穷小的静力步骤来进行,当然这种方法没有缺陷,因为即使是最复杂的情况下都能相当好地应用,但是研究这种方法在运动本质是分子而不是原子的体系中如何发挥作用是非常有趣的;
b.在对映体和螺旋之间的动力学微分界面差别可以划分成下述三种类型的相互作用:
■氢键仙湖作用,很可能是由于作者使用了简化的非方向性函数,几乎对相互作用体系的几何条件不敏感,而且是非手性的和局部的,氢键显然对相互作用的势能的贡献和比例的差异起主要作用,因为它使得氨基酸分子的位置和方向固定,尽管使用的是非方向性函数,但仍然是研究的特定体系中最强烈的相互作用;
■静电相互作用,与氢键相反,其与基体和氨基酸的构型有密切的关系,一般来说这种作用是非手性的,但决定氨基酸的方向并使其显示手性,相互作用的大小稍小于氢键,但与第三种相互作用差不多;
■第三种作用(Lennard-Jones和诱导项)是手性项,关键取决于两个相互作用体系的相互几何条件,因为它们表征原子的空间贡献;

6、结论:利用分子力学和动力学领域取得的成果来改善粘接或者解释粘接现象,提出的方法并不详尽,但是有一个好的开端。分子力学和动力学方法在基础和应用问题上使用,将来一定会取得更多的成果,在粘接领域提供可以预期的强有力工具。

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