高分子加工成型包括高分子材料熔融/ 塑化、剪切/ 拉伸流动和冷却固化这三个基本过程，其核心为高分子熔体的流动和变形。因此，伴随着高分子材料的工业化进程，高分子链动力学和流变学也得到了快速发展与完善。其中最引人入胜却又始终困惑学界的无疑是非线性流变学行为。以剪切变稀、应力过冲、流动分层等为代表的典型非线形流变学现象早已经深入人心，然而对这些行为的微观解读却一直未取得实质性突破。近半个世纪以来， 管子模型在高分子流变学领域一直占据着主导地位。虽然管子模型在描述缠结高分子流体的平衡态和近平衡态性质方面取得了巨大的成功，但是基于单链平均场的管子模型很难描述快速、大形变条件下缠结高分子流体的非线性流变行为。因此，亟待解决的科学问题是阐明这些非线性流变行为的分子机制，并建立相应的理论，为优化高分子材料分子设计、解决高分子材料加工成型核心技术等方面奠定理论基础。

Feng, Lukun; Gao, Peiyuan; Guo, Hongxia; Retardation on blending in the entangled binary blends of linear polyethylene: a molecular dynamics simulation study, Macromolecules, 2019, 52(9)：3404-3416

对于缠结聚合物体系，在包括爬行运动、约束释放效应等松弛机制的现代管道模型，仅可对部分线形聚合物熔体的动力学行为做出较准确的描述。该理论模型的局限性源自于复杂多体相互作用的约束释放效应，其分子水平的微观机理尚未明晰。双分散缠结高分子熔体既是研究具有显著实际应用背景的分子量分布多分散和相容共混的典型体系，也是研究约束释放效应最具代表性的体系。通过分子模拟，我们从整链松弛行为、链间缠结存活时间分布、以及垂直于管道方向和沿管道方向的粒子运动等多视角考查了短链在长链背景中动力学行为。我们发现短链探针在共混体系中的整链松弛、平行/垂直管道方向的运动、以及缠结存活时间分布会由于在长链背景下约束释放效应受到抑制而衰减得更慢，而且随链长的增加约束释放效应被抑制的程度会减弱。上述模拟结果不仅证明了这种长短链共混体系中当长链为主而短链比例较少时短链的约束释放松弛模式被抑制的理论推测，而且发现不同于管道模型理论关于约束释放效应不影响末端矢量（介电）松弛的这一假设前提，出现约束释放效应的时间尺度小于整链松弛时间。这些结果为完善现有管道模型理论提供了方向，为阐述相容共混物的链动力学和线性流变行为提高参考。

图：短链探针在共混体系中平行管道方向g_||(i,t)及垂直管道方向g_⊥(i,t)的均方位移随时间t的变化。

 

Yao, Pu; Feng,Lukun; Guo, Hongxia; Combined molecular dynamics simulation and rouse model analysis of static and dynamic properties of unentangled polymer melts with different chain architectures, Chinese Journal of Polymer Science, 2021, 39(4)：512-524.

现代合成技术的发展已使得各种拓扑结构(如：线形、环形、星形、梳形等)高分子材料的可控制备成为可能。虽已有大量研究集中于传统线形高分子的结构-性质关系，但高分子熔体的结构和动力学行为与分子链拓扑结构的关系远未完全明晰，这制约了高性能高分子材料的分子设计及其加工成型工艺的优化。基于上述背景，我们采用分子动力学模拟和基于图论的Rouse模式分析方法，从链尺寸、链内结构、Rouse模式的静/动态以及自/交叉相关函数、取向相关函数等视角系统研究了未缠结高分子熔体的链拓扑结构对静态与动态性质的影响及其非高斯和偏离Rouse行为，发现高分子熔体由于存在未屏蔽的排除体积相互作用而导致的相关孔效应使得链结构和动力学不符合理想链行为，非理想链行为存在一定的拓扑依赖性。其中，环形链由于存在不可穿插和非级联这两种拓扑约束作用，因而其链膨胀和链间取向交叉相关不同于开口链。

 

图：（a）约化的均方链内距离R²(S)/S随链段数S的变化; (b)取向相关中交叉相关在总取向相关的占比K(t)随时间的演化。