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外磁场下磁性纳米粒子与高分子刷共混体系的蒙特卡洛模拟

作　者: 叶益胜
导　师: 章林溪
学　校: 浙江大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 蒙特卡洛模拟高分子刷磁性纳米粒子磁性纳米粒子密度分布磁化率径向关联函数
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

最近Choi等人在实验上研究了磁性纳米粒子对聚合电解质刷构象的影响。他们发现如果高分子刷和磁性纳米粒子的混合体系被施加一个高强度的磁场后,刷的高度会增高。这个现象是第一次在实验中被观测到,因此需要对高分子刷和磁性纳米粒子的混合体系在外加磁场情况下高分子刷的增长规律以及磁性纳米粒子的磁性性能的变化进行更加深入和细致的研究。遗憾的是,在所有的模拟和理论研究中都未有磁性纳米粒子与高分子刷的共混体系相关的研究开展。为此,本文采用蒙特卡洛的模拟方法来研究高分子刷与带磁矩的磁性纳米粒子相互吸引情况下的工作,本文的模拟工作不但对现有的实验结果进行深层次上的验证并做出统计,而且可以更加深入的理解该共混体系在外加磁场作用下,由于磁性纳米粒子和刷的相互影响而产生的刷的统计行为和磁性纳米粒子的分布。本文首次采用蒙特卡洛(Monte Carlo)的模拟方法来研究在外磁场作用下的高分子刷和磁性纳米粒子组成共混体系的统计性质。磁性纳米粒子和高分子刷受限于两个平行的板面之间,高分子刷生长于下面的板面。在这个共混体系外,所施加的磁场的方向垂直于底面的平行板,同时,高分子刷和磁性纳米粒子存在互相吸引作用。研究发现高分子刷的平均高度与外加磁场的强度有关,同时还与高分子刷的嫁接密度和高分子刷长有关。外加磁场影响磁性纳米粒子的排布,磁性纳米粒子的排布又会影响高分子刷的空间分布。随着磁场强度的增加,由于磁性纳米粒子的磁矩方向会渐渐的朝向磁场方向,从而呈现磁性纳米粒子沿外磁场方向排列,所以高分子刷的平均高度会相应的升高。同时,高分子刷的链长和嫁接密度也会影响磁性纳米粒子在体系的各种性质参数,例如：磁性纳米粒子的分布,沿着Z方向的磁性纳米粒子的平均链长,磁化率和径向关联函数。1.外磁场下磁性纳米粒子与高分子刷的共混体系,高分子刷的平均高度会随着外磁场的增大而升高,并且在特定的磁场强度下达到最大值,继而当外磁场继续增大时,高分子刷的平均高度几乎保持不变。2.在不同外磁场强度下,磁性纳米粒子在体系的空间分布曲线呈现抛物线的形状,当外磁场强度越大,抛物线的峰值越小,集中区域范围越宽。这有可能是由于高分子刷的相互吸引的影响而引起的。3.在较强外磁场下,当没有高分子刷存在时,磁性纳米粒子在Z方向形成的平均链长的值比在有高分子刷存在时的值小。但是在磁场很小的时候,当没有高分子刷存在时,磁性纳米粒子在Z方向形成的平均链长的值比在有高分子刷存在时的值大,是因为高分子刷没有在Z方向伸展开来,以至于阻碍了磁性纳米粒子在Z方向形成链状结构。4.在不同的嫁接密度或者高分子刷链的情况下,磁化率随磁场增大曲线均会很快达到一个最大值,继而磁化率的值会迅速减小,当外磁场强度的值达到一定程度时,磁化率的值变为零。5.当外磁场为零时,Z方向的径向关联函数的值会随距离的增大而出现震荡的趋势。当有外磁场时(H=5,50),Z方向的径向关联函数的值会随距离的增大而出现递减的趋势,并且外磁场越大,每个距离所对应的Z方向的径向关联函数的值越大。本文的模拟结果与实验的结果较为吻合。这些工作也许可以对以后进一步研究外加磁场作用下的高分子刷和磁性纳米粒子组成的共混体系的物理机理。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-12
1 绪论  12-30
  1.1 前言  12-13
  1.2 高分子刷和磁性纳米粒子的研究  13-17
    1.2.1 高分子刷  13-16
    1.2.2 磁性纳米粒子  16-17
  1.3 计算机模拟方法  17-24
    1.3.1 蒙特卡洛方法及其基本思想  18
    1.3.2 Monte Carlo方法在高分子科学中的应用  18-21
    1.3.3 格子模型的键长涨落算法和Metropolis抽样法  21-23
    1.3.4 周期性边界条件和模拟退火  23-24
  1.4 本文主要研究的内容和意义  24-25
  参考文献  25-30
2 在外磁场下的磁性纳米粒子与高分子刷的共混体系的蒙特卡洛模拟  30-52
  2.1 前言  30-31
  2.2 模型和模拟方法  31-34
  2.3 结果和讨论  34-47
    2.3.1 高分子刷的构象统计性质  34-39
      2.3.1.1 高分子刷的平均高度  34-37
      2.3.1.2 单体的密度分布图  37-39
    2.3.2 纳米粒子的磁性性质  39-47
      2.3.2.1 磁性纳米粒子的磁化率  39-40
      2.3.2.2 磁性纳米粒子的径向分布函数  40-45
      2.3.2.3 磁性纳米粒子的分布  45-47
  2.4 结论  47-49
  参考文献  49-52
3 小结  52-54
作者简历  54-55
硕士期间发表的论文  55

外磁场下磁性纳米粒子与高分子刷共混体系的蒙特卡洛模拟

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