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《高分子多尺度理論模擬方法及應用》針對高分子材料各尺度上模擬計算方法（例如：量子化學計算、分子力學、經典分子動力學、粗粒化分子動力學、蒙特卡羅模擬方法、耗散粒子動力學和相場方法）的基本原理和進展進行介紹，給出了它們在當前高分子材料研究的諸多熱點領域（包括功能高分子光電性質、高分子纏結動力學、遷移動力學及流變學性質、高分子材料多重相變及結構與性質的關聯、共混體系相行為與介面性能、高分子/納米粒子複合體系的組裝與分相、高分子複合Janus納米材料、聚電解質體系、靜電紡絲加工、黏彈相分離）中的具體應用實例，並探討了建立從微觀到介觀無縫銜接的多尺度模擬方案。
本書不僅能夠幫助讀者掌握不同尺度下的高分子模擬方法，為其今後開展高分子科學研究奠定基礎，還能夠加深讀者對高分子材料多尺度特性的認識，開拓其處理不同尺度模型間貫通及不同尺度模型共存的思路。此外，本書這種將理論與應用緊密結合的介紹方式也非常有利於初次接觸這一領域工作者的閱讀理解，便於他們認識類比計算對於揭示新現象本質、預測化學過程和材料性能以及創造新材料或新物質的重要作用，從而吸引更多的年輕讀者從事模擬計算。
第1章量子化學計算方法原理及在高分子科學研究領域中的應用001
1.1量子化學計算方法基本原理002
1.1.1量子化學計算方法簡介002
1.1.2常用量子化學計算方法原理005
1.2量子化學計算方法在高分子科學研究領域中的應用014
1.2.1高分子催化反應機理研究014
1.2.2功能高分子材料光學性質研究020
1.2.3纖維素體系分子間相互作用研究038
1.3總結與展望044
參考文獻045
第2章分子模擬原理及在烯烴聚合催化研究中的應用049
2.1分子力學方法簡介050
2.1.1基本原理050
2.1.2分子力場051
2.1.3計算勢能面的能量極小點055
2.2分子動力學方法056
2.2.1分子動力學方法的基本原理057
2.2.2分子動態的數值演算法058
2.2.3MD的抽樣統計與宏觀性質計算059
2.2.4統計系綜的實現060
2.3電荷平衡法063
2.3.1原子能量的電荷依賴性064
2.3.2靜電平衡065
2.3.3交疊校正066
2.3.4QEq計算結果和實驗值的比較066
2.4構象分析067
2.5分子模擬方法在烯烴聚合催化研究中的應用068
2.5.1分子模擬應用綜述068
2.5.2基於金屬原子淨電荷關聯法對催化活性的研究070
參考文獻090
第3章分子動力學模擬方法在高分子溶劑化研究中的應用095
3.1分子力場發展史與平衡時間096
3.1.1分子力場發展史096
3.1.2平衡時間098
3.2溶劑化研究背景102
3.2.1溶劑化研究的重要性102
3.2.2溶劑化研究的問題104
3.3高分子溶劑化的相互作用結構105
3.3.1模型與類比方法106
3.3.2聯苯分子的溶劑化結構107
3.3.3高分子溶質的溶劑化結構110
3.3.4高分子溶劑化的機理112
3.3.5小結114
3.4總結與展望114
參考文獻114
第4章分子動力學模擬方法在高分子膠體粒子傳輸性質研究中的應用117
4.1納米粒子輸運性質的研究現狀118
4.2納米粒子表面電荷分佈對其輸運性質的影響119
4.3納米粒子與離子相互作用對其輸運性質的影響123
4.4納米粒子表面嫁接不同高分子鏈時的輸運性質132
4.5總結與展望142
參考文獻143
第5章非平衡分子動力學模擬方法原理及在高分子材料纏結動力學和流變性質研究中的應用149
5.1經典非平衡分子動力學模擬原理151
5.1.1非平衡分子動力學模擬理論基礎151
5.1.2非平衡分子動力學模擬技術157
5.2高分子動力學理論169
5.2.1Rouse模型169
5.2.2Reptation模型175
5.2.3高分子動力學理論的最新進展177
5.3高分子纏結動力學研究180
5.3.1普適粗粒化模型180
5.3.2原子模型181
5.4高分子流變學性質研究183
5.4.1普適粗粒化模型183
5.4.2原子模型184
參考文獻185
第6章系統粗粒化方法的原理、進展及在高分子體系結構性質研究中的應用191
6.1系統粗粒化方法的原理192
6.2系統粗粒化方法的進展194
6.3系統粗粒化方法在研究聚丁二烯（PB）體系中的應用197
6.3.1PB粗粒化模型構建及類比細節198
6.3.2粗粒化模型的溫度遷移性和代表性202
6.3.3小結218
6.4Lennard-Jones非鍵作用勢對聚苯乙烯粗粒化力場遷移性的影響219
6.4.1聚苯乙烯（PS）粗粒化模型的構建及類比細節221
6.4.2Lennard-Jones勢對粗粒化力場遷移性的影響226
6.4.3小結230
6.5構建熱力學與結構自洽的聚苯乙烯粗粒化模型231
6.5.1粗粒化力場優化與模擬細節233
6.5.2粗粒化力場溫度遷移性及代表性234
6.5.3小結238
6.6總結與展望239
參考文獻240
第7章蒙特卡羅（Monte Carlo）方法的原理、進展及在高分子共混體系相變與介面性質研究中的應用247
7.1高分子鏈構象的蒙特卡羅抽樣方法原理與進展248
7.1.1蒙特卡羅方法的基本思想及統計理論基礎249
7.1.2高分子物理中的鏈鬆弛演算法249
7.1.3高分子鏈的抽樣方法252
7.2共聚物的梯度組成對三元對稱型高分子共混體系相轉變的影響254
7.2.1三元高分子共混體系的研究背景254
7.2.2模型與方法256
7.2.3共聚物的梯度組成對高分子共混體系相行為的影響257
7.2.4小結261
7.3三元對稱型共混體系的介面性質和分子構象261
7.3.1共聚物組成梯度的影響263
7.3.2均聚物與共聚物分子的鏈長度比值α的影響264
7.3.3分離強度的影響265
7.3.4均聚物與共聚物鏈節間相互作用的影響266
7.3.5小結267
7.4介面共聚物鏈長和梯度組成的多分散性對介面性質的影響268
7.4.1介面上單分子飽和投影面積268
7.4.2飽和介面單層膜的彎曲模量270
7.4.3雙分散鏈長所產生更小的共聚物介面平均佔有面積的原因分析271
7.4.4雙分散梯度寬度的共聚物所擁有的較高介面佔有面積值的原因分析272
7.4.5小結275
7.5總結與展望275
參考文獻276
第8章耗散粒子動力學（DPD）模擬方法的原理與進展279
8.1耗散粒子動力學模擬方法簡介280
8.1.1耗散粒子動力學模擬方法的提出280
8.1.2耗散粒子動力學模擬方法的發展概述281
8.2耗散粒子動力學模擬方法的基本原理283
8.2.1耗散粒子動力學模擬方法中的耗散-漲落定理推導283
8.2.2耗散粒子動力學（DPD）粒子運動方程及各種力的表達286
8.2.3數值積分演算法288
8.2.4耗散粒子動力學模擬體系中參數的選擇292
8.2.5DPD模型類比高分子體系的粗粒化與映射296
8.3耗散粒子動力學模擬與靜電相互作用的耦合方法297
8.4耗散粒子動力學類比方法應用的優、缺點分析300
8.5耗散粒子動力學熱浴在非球形模型中的擴展302
8.5.1DPD平動熱浴（T-DPD熱浴）302
8.5.2DPD轉動熱浴（R-DPD熱浴）303
8.5.3DPD熱浴在GB體系平衡態模擬中的應用303
8.5.4不同熱浴在GB體系非平衡態模擬中的比較306
8.6耗散粒子動力學模擬GPU化309
8.6.1鄰近表建立310
8.6.2非鍵力計算311
8.6.3鍵接力計算312
8.6.4大尺度類比演算法312
8.6.5小結314
8.7總結與展望315
參考文獻316
第9章耗散粒子動力學模擬研究多組分高分子材料相結構和相動力學321
9.1高分子三元共混體系相行為及相轉變與介面性質322
9.1.1高分子共混體系的相行為322
9.1.2高分子共混體系相轉變與介面性質330
9.2添加納米粒子的高分子共混體系相行為和分相動力學340
9.2.1納米球表面性質對不相容高分子共混體系相分離動力學的影響341
9.2.2Janus納米粒子的形狀和分介面設計對高分子共混體系相行為和相分離動力學的影響347
9.2.3納米棒表面性質對靜態及剪切場下高分子共混體系增容行為和相結構的影響357
9.3總結與展望369
參考文獻369
第10章耗散粒子動力學模擬研究雙親分子及複雜高分子體系組裝行為375
10.1耗散粒子動力學模擬研究T形及燕尾形三組分雙親分子相行為376
10.1.1T形三組分雙親分子的相行為 378
10.1.2π形/燕尾形三組分雙親分子的相行為394
10.2耗散粒子動力學模擬研究生物膜體系401
10.2.1生物膜的相行為402
10.2.2生物膜的膜融動力學405
10.3耗散粒子動力學模擬研究高分子複合Janus納米材料410
10.3.1研究背景410
10.3.2環境回應性Janus納米片形變的耗散粒子動力學研究411
10.4總結與展望415
參考文獻416
第11章耗散粒子動力學模擬研究半剛性高分子的本體熱致液晶相變和介面錨定取向行為421
11.1半剛性棒狀高分子的本體熱致液晶相變422
11.1.1熱致液晶模擬的研究現狀422
11.1.2棒狀液晶分子的模型構建及類比細節423
11.1.3剛性棒狀液晶分子的熱致液晶相變425
11.1.4半剛性棒狀液晶分子的熱致液晶相變430
11.1.5分子柔性對熱致液晶相變和動力學行為的影響432
11.1.6小結433
11.2棒狀液晶分子在水-液晶介面上錨定取向行為434
11.2.1研究現狀與應用434
11.2.2模型構建與類比設置436
11.2.3雙親分子的剛性嵌段與液晶分子間的相互作用對錨定行為的影響438
11.2.4溫度對錨定行為的影響444
11.2.5小結450
參考文獻450
第12章耗散粒子動力學模擬研究磺化聚醯亞胺質子交換膜455
12.1磺化聚醯亞胺質子交換膜的研究現狀簡述456
12.2磺化聚醯亞胺質子交換膜體系的模型構建和類比細節459
12.3序列分佈對磺化聚醯亞胺質子交換膜形貌和性能的影響461
12.3.1相態結構462
12.3.2質子傳導率467
12.3.3膜尺寸穩定性468
12.3.4膜的力學性質470
12.4總結與展望471
參考文獻472
第13章耗散粒子動力學模擬研究熔體靜電紡絲477
13.1靜電紡絲電腦類比研究現狀478
13.2熔體靜電紡絲耗散粒子動力學模擬體系482
13.3紡絲纖維下落速度483
13.3.1電場力對紡絲纖維下落速度的影響483
13.3.2高分子熔體黏度對紡絲纖維下落速度的影響484
13.3.3高分子鏈長對紡絲纖維下落的影響485
13.4下落過程中纖維微觀結構487
13.4.1下落過程中紡絲纖維不同階段的速度變化487
13.4.2熔體黏度與不同階段的纖維下落速度的關係488
13.4.3下落過程中彈簧係數對纖維中分子鏈的均方末端距的影響488
13.5總結與展望489
參考文獻490
第14章相場方法的原理、進展及在多組分多相高分子體系研究中的應用493
14.1相場方法原理494
14.1.1固溶體模型497
14.1.2流體模型498
14.1.3雙流模型498
14.2相場方法研究進展501
14.2.1旋節相分離初期的線性理論研究501
14.2.2旋節相分離後期的標度理論研究502
14.2.3電腦類比研究503
14.3GPU加速相場方法的數值模擬504
14.3.1GPU加速的演算法實現504
14.3.2GPU加速的驗證506
14.3.3小結508
14.4高分子共混物的分相研究509
14.4.1高分子共混物的黏彈相分離509
14.4.2剪切場下高分子材料分相研究513
14.5總結與展望517
參考文獻517
索引521
