Instructor: 徐恒
English version: Polymers
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核心图像
聚合物是一条由许多单体连接成的长链。核心问题是:链的构象如何由熵、弯曲刚度、排除体积和溶剂质量决定。
理想链
理想链忽略排除体积和长程相互作用,可以看成随机游走。拉直长度是 Nb,但典型尺寸只随 N 的平方根增长。
end-to-end=⟨R2⟩=Nb2
size=R≈bN1/2
Rg=Rg2=⟨R2⟩/6
端到端距离分布近似为高斯分布,由此得到熵弹簧自由能。
Gaussian=P(R)∝e−3R2/(2Nb2)
entropy F=F(R)=2Nb23kBTR2
force=f=Nb23kBTR
Wormlike chain
半柔性链不能看成完全柔软的随机游走,需要加入弯曲刚度。
bending=Eb=2κ∫dsdu2ds
persistence=lp=κ/(kBT)
correlation=⟨u(s)⋅u(0)⟩=e−s/lp
WLC R2=⟨R2⟩=2lpL[1−Llp(1−e−L/lp)]
L 远小于 l_p 时像硬杆;L 远大于 l_p 时像柔性链,Kuhn length 约为 2l_p。
非理想链与 Flory 理论
真实链不能自己穿过自己,排除体积会使链在好溶剂中膨胀。
Flory F=F/kBT≈Nb2R2+RdvN2
Flory nu=ν=3/(d+2)
3D good=R≈bN3/5
theta=R≈bN1/2
poor=R≈bN1/3
聚合物溶液
Flory-Huggins 理论把混合熵和相互作用能写在一个自由能里。聚合物的混合熵比小分子小,因为一整条链作为一个整体移动。
FH=f/kBT=Nϕlnϕ+(1−ϕ)ln(1−ϕ)+χϕ(1−ϕ)
excluded=v=b3(1−2χ)
overlap=ϕ∗≈Nb3/R3
spinodal=∂ϕ2f=0
考试抓手
先判断链模型:ideal chain、wormlike chain、self-avoiding chain、polymer solution。尺寸标度最常考:N^(1/2)、N^(3/5)、N^(1/3) 分别对应理想链、好溶剂、塌缩球。