基本信息
孙昭艳 女 博导 长春应用化学研究所
电子邮件:zysun@ciac.ac.cn
通信地址:长春市人民大街5625号
邮政编码:130022

研究领域

1、多尺度模拟方法的开发及其在聚合物体系中的应用
聚合物在科学研究以及国民经济中具有越来越重要的地位。聚合物材料的使用性能取决于其独特的长链结构以及相应的聚集态结构。由于聚合物的长链特性,使其在合成过程中会产生有别于小分子的不同链结构,而分子链结构的差异会对其聚集态结构产生很大的影响,进而影响材料的使用性能。目前,高分子科学中的一个重要命题就是要从不同尺度透彻理解聚合物材料的微观链结构形成以及介观聚集态结构转变规律,进而实现从高分子微观分子结构到介观聚集态结构再到材料宏观使用性能的设计。随着计算机硬件及软件的发展,计算机模拟技术已经成为高分子学科中非常重要的研究手段。因此,发展和利用多尺度计算机模拟技术,从不同尺度上理解聚合物材料的微观链结构以及介观聚集态结构转变,进而明晰聚合物材料的结构与其物理化学性质之间的关系,已经成为高分子科学的重要研究领域。基于此,我们发展了适用于描述复杂聚合物流体的分子动力学模拟方法、耗散粒子动力学模拟方法以及自洽场理论模拟方法,提出了联系亚宏观尺度格子波尔兹曼方法与介观尺度自洽场理论方法的多尺度研究方案,发展了能够有效描述具有不同相互作用类型的聚合物胶体粒子体系的计算机模拟方法,探索了复杂聚合物体系的结构和动力学性质。在此基础上,我们实现了分子动力学模拟、耗散粒子动力学模拟以及分子动力学-自洽场耦合方法的GPU程序化,并开发了相应的程序包,使运算速度提高了将近一个数量级。这为复杂聚合物体系结构与动力学性质的模拟研究提供了强有力的工具。

2、复杂聚合物体系的结构和动力学
聚合物最典型的特征就是具有长链结构,其在微观上拥有大量不同的链拓扑结构,而链拓扑结构的差异使得聚合物体系的动力学性质存在显著的区别。更为重要的是,聚合物微观链拓扑结构以及动力学行为的差异会进一步导致其介观聚集态结构的改变,进而影响聚合物材料的宏观使用性能。因此,系统研究具有不同链拓扑聚合物体系的结构及动力学行为,能够帮助我们从分子水平上更好地认识聚合物的性质,为有效预测和调控聚合物的使用性能提供必要的理论指导。聚合物链在溶液中的微观性质主要同聚合物链自身的链拓扑结构、溶液浓度、溶剂条件、受限、流动等诸多因素相关。因此,我们首先利用分子动力学方法研究了线形、三臂星形和环形等具有不同链拓扑结构的模型聚合物在稀溶液中的性质,获得了链拓扑结构对聚合物分子尺寸和扩散行为的影响规律,发现随着聚合度的增加,不同拓扑结构聚合物链分子尺寸的差异越来越大,而扩散系数的差异越来越小。我们进一步研究了蝌蚪形聚合物在溶液中的性质,发现蝌蚪形聚合物的尺寸和扩散系数均存在从线形行为区到环形行为区的转变,并进一步阐明了该转变的内在物理本质。针对不同浓度的嵌段共聚物溶液体系,我们获得了它的结构与力学性能之间的关系,阐明了溶液中的桥型链和环形链比例是体系具有不同力学性质的根本原因。另一方面,聚合物在溶液中的性质不仅与自身的链结构、溶液浓度、温度等条件有关,还与溶剂的性质密切相关。为此,我们利用分子动力学方法研究了溶剂尺寸效应对聚合物溶液性质的影响,预测了临界溶剂尺寸的存在,获得了不同条件下的临界溶剂尺寸,并推测了其可能的物理成因。在上述研究结果的基础上,我们将流场引入计算机模拟模型中,利用非平衡态耗散粒子动力学方法研究了具有不同臂数的星形聚合物在管道中的流动过程,阐明了流体力学相互作用是导致多臂星形聚合物更易向管道中心移动的物理成因。

3、聚合物胶体玻璃和胶体晶体材料的设计和性质研究
聚合物胶体粒子体系在日常生活中随处可见,从日用的油漆和涂料,再到血液、豆浆以及牛奶,其中的很多问题都和胶体的转变有关。我们知道,液体在一定条件下,既可以经历玻璃化转变为无序的玻璃,也可以经历结晶过程转变为有序的晶体。然而到目前为止,人们对于胶体粒子体系的聚集态结构调控及其发生玻璃化转变和结晶转变的机理还没有清晰的认识,因此,利用现有的理论模拟及实验技术,系统地研究胶体粒子体系的聚集态结构形成及演化规律,不仅能够推动整个凝聚态物理领域的发展,同时有着极其重要的现实意义。基于此,我们首先利用分子动力学模拟办法研究了硬球胶体体系的玻璃化转变行为,发现玻璃态结构中仍然存在着少量的有序区域。除此之外,我们还采用了基板诱导的办法研究了硬球胶体的结晶行为,发现在方形基板的诱导下,胶体体系可以结晶成为立方体心结构,而该结构在本体情况下被认为是不稳定的。除此之外,非中心对称胶体粒子在近年来得到了大量的研究,其中最具有代表性的是Janus胶体。Janus胶体可以组装形成多种丰富的相结构,这些结果能够为胶体玻璃和胶体晶体材料的设计提供可靠的理论指导。针对Janus胶体体系,我们在软球模型的基础上,巧妙地引入了各向异性因子,成功地描述了Janus胶体粒子之间的非中心对称相互作用,同时,模型中的参数还能够和聚合物球的弹性模量相对应,因而该模型可以描述具有不同软硬度的Janus胶体体系。基于该模型,我们系统研究了两嵌段类型、三嵌段类型以及反向三嵌段类型的Janus粒子的聚集行为。通过改变Janus胶体的软硬度、相互作用以及对称性,我们获得了十分丰富的聚集态结构。我们不仅重现了实验中观察到的网络状结构以及Kagome结构等等,同时还预测了许多实验中还没观察到的新颖结构。这些研究能够为新型胶体材料的设计提供必要的理论指导。 

4、聚合物纳米复合体系的结构、动力学及力学性质研究
在聚合物中引入合适的纳米粒子不仅可以显著地提高聚合物材料的力学性能,还能大大改善复合材料的电学、光学、耐溶剂性以及阻燃等性能,使得纳米复合材料不仅广泛应用于航空、汽车、以及运动器材等领域,还在生物组织、自修复材料、以及光电材料等领域具有重要的应用价值。纳米复合材料这些性能的提高与纳米粒子在聚合物相中的分散程度、纳米粒子自身的特性、纳米粒子扩散动力学以及高分子链段松弛动力学等因素密不可分。然而,即使从经验的角度来讲,不同因素对纳米粒子空间分布以及动力学性质的影响规律以及这些因素如何最终影响材料的宏观性质仍然没有得到清晰的认识。因此,明晰聚合物纳米复合体系微观结构、纳米粒子扩散动力学与聚合物链松弛动力学以及材料宏观性质之间的关系具有重要的理论及实际意义。我们研究了纳米粒子的引入对高分子共混物剪切形貌以及流变行为的影响,发现除了粒子桥连机理之外,纳米粒子之间的絮结也是导致共混物流动特性从液态转变为凝胶态的机理之一。同时,我们发现制样方式也可以改变纳米粒子在聚合物基体中的分散,这是由于聚合物基体的粘度较高,纳米粒子很难达到热力学平衡态分布方式。因此对于粘度较高的聚合物基体来讲,动力学因素对纳米粒子在聚合物基体的分散方式起到了至关重要的作用。由此可见,探索复合体系的动力学性质对复合材料微观结构以及宏观力学性质的影响规律就显得尤为重要。此外,我们在研究炭黑/硅油复合体系的结构和流变性质时发现,在低速剪切下体系会呈现出负的法向应力。对于其它纳米粒子/聚合物复合体系,我们同样发现了类似的现象,同时,由于纳米粒子性质的不同,使得引起体系产生负法向应力的机理也不同。这为聚合物纳米复合材料的加工和性能优化提供了必要的理论指导。


招生信息

拟招收具有高分子物理、高分子化学、固体物理、统计物理、或计算机编程等专业背景的硕士研究生和博士研究生若干。
强烈欢迎热爱篮球运动的同学加入本课题组!
招生专业
070305-高分子化学与物理
招生方向
复杂聚合物体系结构转变及调控的多尺度模拟研究
胶体玻璃及胶体晶体的设计及性质研究
聚合物纳米复合材料的结构和力学性质研究

教育背景

1996-09--2001-07 吉林大学 博士学位
1992-09--1996-07 吉林大学 学士学位
学历
-- 研究生
学位
-- 博士
出国学习工作
2001.9-2002.8 德国Dortmund大学化学系从事博士后研究工作

工作经历

2010.12-今 中科院长春应化所高分子物理与化学国家重点实验室研究员
2006.9-2010.12 中科院长春应化所高分子物理与化学国家重点实验室副研究员
2003.3-2006.8 中科院长春应化所高分子物理与化学国家重点实验室助理研究员
工作简历
2010-12--今 长春应用化学研究所 研究员
2006-09--今 长春应用化学研究所 副研究员
2003-03--今 长春应用化学研究所 助理研究员
2001-09--2002-08 德国多特蒙德大学 博士后

出版信息

   
发表论文
(1) A simulation model for soft triblock Janus particles and their ordered packing,RSC Adv,2013,通讯作者
(2) Influence of Grafting Surface Curvature on Chain Polydispersity and Molecular Weight in Concave Surface-Initiated Polymerization,ACS Macro Lett,2012,通讯作者
(3) Dynamics and correlation length scales of a glass-forming liquid in quiescent and sheared conditions,J. Phys.: Condens. Matter,2012,通讯作者
(4) Self-assembly of amphiphilic patchy particles with different cross-linking densities,Soft Matter,2012,通讯作者
(5) Structure, compressibility factor, and dynamics of highly size-asymmetric binary hard-disk liquids,J Chem Phys,2012,通讯作者
(6) Effect of attractions on correlation length scales in a glass-forming liquid,Phys. Rev. E,2012,通讯作者
(7) Model, Self-assembly Structures, and Phase Diagram of Soft Janus particles,Soft matter,2012,通讯作者
(8) Diffusive redistribution of small spheres in crystallization of highly asymmetric binary hard-sphere mixtures,Europhys. Lett.,2012,通讯作者
(9) A possible route to fabricate patchy nanoparticles via self-assembly of a multiblock copolymer chain in one step,Soft Matter,2011,通讯作者
(10) Assembly of body-centered cubic crystals in hard spheres,Eur. Phys. J. E,2011,通讯作者
(11) Hierarchical Self-Assembly of Soft Disklike Particles Under Shear Flow,J. Phys. Chem. B,,2011,第3作者
(12) Relationship between Structural Gel and Mechanical Gel for ABA Triblock Copolymer in Solutions: A Molecular Dynamics Simulation,J. Phys. Chem. B,2011,通讯作者
(13) Self-assembly of linear ABC doil-doil-rod triblock copolymers,Polymer,2010,第3作者
(14) Rheology and thermal transition state of polyvinyl alcohol–cassava starch blends,Carbohydrate Polymers,2010,第4作者
(15) Monte Carlo simulation of a single ring among linear chains: Structural and dynamic heterogeneity,J. Chem Phys,2010,第2作者
(16) Dense Packing in the monodisperse hard-sphere system: A numerical study,Eur. Phys. J. E,2010,通讯作者
(17) Conformational Study on Sol-Gel Transition in Telechelic Polyelectrolytes Solutions,J Phys Chem B,2010,第4作者
(18) Heterogeneous crystallization of hard spheres on patterned substrates,J. Chem Phys,2010,通讯作者
(19) Simulation Model for Hierarchical Self-Assembly of Soft Disklike Particles,J Phys Chem B,2010,第2作者
(20) Transport of Star-branched polymers in nanoscale pipe channels simulated with Dissipative particle dynamics simulation,Macromolecules,2010,通讯作者
(21) Solvent size effect on the static and dynamic properties of polymer chains in athermal solvents,polymer,2009,通讯作者

科研活动

   
科研项目
(1) 复杂聚合物体系结构转变与调控的多尺度模拟,主持,国家级,2013-01--2015-12
(2) 高分子非晶液-固转变的基本问题研究,参与,国家级,2012-01--2015-12
(3) 剪切诱导下聚合物物理凝胶网络的形成与破坏过程模拟研究,主持,国家级,2011-01--2013-12
(4) 高分子复杂体系多尺度结构及其行为,参与,国家级,2010-01--2012-12
(5) 多组分高分子体系在剪切流动下的相转变及多尺度行为,参与,国家级,2010-01--2013-12
(6) 嵌段共聚物/均聚物共混体系宏观与微观相分离的竞争机理,主持,国家级,2009-01--2011-12
参与会议
(1) Multi-scale simulation of structural transformation for complex polymer”, International symposium on polymer and material science,2012-08,Sun Zhaoyan
(2) The Self-Assembly of soft Janus particles”,,2012-06,sun zhaoyan
(3) 两面神胶体粒子的组装行为,“大分子体系功能结构的理论模拟”研讨会,2012-05,孙昭艳
(4) Self-consistent field theory study on the self-assembly of block copolymers,2010-12,孙昭艳
(5) H 形(AC)B(CA)嵌段共聚物体系的自组装行为,2010 年全国高分子材料科学与工程研讨会,2010-10,孙昭艳
(6) Effects of Architecture and Composition on the Microphase Separation of Block Copolymers,2010-05,孙昭艳

合作情况

Prof. Zhen-Gang Wang, The California Institute of Technology, (Caltech), USA
Prof.Yongmei Wang, University of Memphis, USA
Prof. Zhi-Hong Nie, University of Maryland, USA

指导学生

已指导学生

徐文生  博士研究生  070305-高分子化学与物理  

现指导学生

潘登  硕士研究生  070305-高分子化学与物理  

宋敬川  博士研究生  070305-高分子化学与物理  

牛冉  博士研究生  070305-高分子化学与物理  

戴利均  硕士研究生  070305-高分子化学与物理  

杨大磊  博士研究生  070305-高分子化学与物理  

李艳伟  博士研究生  070305-高分子化学与物理