复杂流体的分子热力学

项目名称：复杂流体的分子热力学

奖励类别：上海市自然科学奖

获奖等级：一等

授予单位：上海市人民政府

获奖单位：华东理工大学

项目完成人：刘洪来，胡英，彭昌军，黄永民，韩霞

获奖时间：2011

成果介绍：

分子热力学从分子水平上研究流体的热力学性质和相平衡，阐明流体的微观结构，建立分子热力学模型，为化工过程开发和设计提供基础数据,为材料设计和制备提供指导。

本项目重点关注高分子和表面活性剂溶液等复杂流体的相平衡、微观分相结构和固液界面的吸附。从立项之初，该领域的研究开始受到国内外学者的关注，在理论、分子模拟和实验方面均面临新的突破。项目组以亥氏函数模型开发为核心，创新地提出统计力学理论、分子模拟和实验测定相结合的分子热力学研究方法，将相平衡、微观分相结构和界面吸附纳入统一框架下进行系统研究，主要成果和创新点包括：

1. 基于自由空间模型，考虑相邻和相间链节对相关性的影响，建立了链状分子的亥氏函数模型(状态方程)，并用于构建高分子吸附的密度泛函理论和高分子微观分相结构及其演变的动态密度泛函理论，成功用于从球形分子到均聚和共聚高分子、从非极性流体到强极性和缔合性流体、从电解质到离子液体和聚电解质溶液的各种物性和复杂相平衡、共聚高分子吸附、高分子微观相变结构和演化过程等的计算。

2. 基于格子模型，充分考虑链节间相互作用引起的非随机性所产生的熵效应，建立了高分子溶液的LSAFT混合亥氏函数模型；提出双重格子模型计算链节间的定向作用贡献，用网络弹性自由能模型计算高分子互连网络的贡献，引入空穴计及压力的影响，使模型能够很好地计算高分子和离子液体系统的各种复杂相图以及高分子凝胶的溶胀和体积相变等。

3. 建立了格子模型上高分子溶液相平衡的构型偏倚蒸发模拟方法并应用于高分子吸附性质的模拟，首次提供了链长直到200的高分子溶液相平衡模拟数据，为格子模型理论的构建和吸附理论可靠性检验提供了依据；改进了MC和DPD等分子模拟方法，对嵌段共聚高分子的吸附和微观分相结构及其演化过程进行了系统模拟。

4. 开发了混合溶剂在高分子中溶解和传递的实验装置，成功获得精度较高的混合溶剂-高分子系统汽液平衡数据，首次发现混合溶剂在高分子膜中的反向传递现象，并结合传递模型阐明了这一反常现象的机理。通过对新型双子表面活性剂溶液结构的研究，成功地利用其在气液界面形成的单分子膜，调控了共聚高分子膜表面形成的长程有序微相分离结构，并作为高效模板剂和保护剂应用于纳米和介孔材料的合成。

该研究工作促进了分子热力学的发展，可以为化工过程开发和设计提供定量计算模型，为材料设计和制备提供理论指导。课题组取得了多项成果：共发表SCI论文167篇，出版专著1部；论著共被SCI他引943次；在国际学术会议上作特邀报告7次；胡英获PPEPPD首次颁发的杰出成就奖；研究工作获得分子热力学的创始人美国两院院士Prausnitz、美国两院院士Thomas、LCT理论的创始人Freed、SAFT方程的发明者之一Radosz、Gibbs系综法的发明者Panagiotopolos等著名学者的高度评价。