中国科技大学 高分子物理由何平笙 朱平平主讲

中国科学技术大学 高分子物理

主讲：何平笙 朱平平

 教材：杨海洋，朱平平，何平笙，《高分子物理实验》，第2版，合肥：中国科学技术大学出版社，2008

“高聚物的结构与性能”（又称“高分子物理”）是高分子学科学生必修的专业基础课。它是一门包含以高分子化合物为对象的全部物理内容的综合学科。

• 教学内容

  “高分子物理实验”是我校高分子科学与工程系本科生必修的专业基础课，72学时。在充分考虑学科特点、并结合教学研究成果以及精品课程建设经验的基础上，我们对教学内容进行阶段性的调整。这里列出的教学内容是依据我们新近出版的《高分子物理实验》第2版教材内容制定的（普通高等教育“十一五”国家级规划教材）。

  1．教学内容（共72学时）

  （1）绪论（2学时）

  （2）用“分子模拟”（MP）软件构建全同立构聚丙烯分子、聚乙烯分子并计算它们末端的直线距离（2学时）

  （3）用“分子模拟”（MP）软件计算聚丙烯酸甲酯的构象能量（2学时）

  （4）二维高分子链形态的计算机模拟（4学时）

  （5）受限空间中的高分子链穿越纳米管道的Monte Carlo模拟（4学时）

  （6）使用Monte Carlo方法观察受限状态下嵌段聚合物自组装结构（4学时）

  （7）密度梯度管法测定聚合物的密度和结晶度（4学时）

  （8）偏光显微镜法观察聚合物球晶及其生长过程（2学时）

  （9）激光小角散射法测定不同结晶条件下聚合物球晶尺寸（2学时）

  （10）油浸法测定合成纤维的双折射（4学时）

  （11）膨胀计法测定聚合物的玻璃化转变温度（4学时）

  （12）聚合物的形变—温度曲线（4学时）

  （13）动态扭振法测定热固性树脂的固化曲线（4学时）

  （14）动态粘弹谱仪测定聚合物的动态力学行为（2学时）

  （15）示差扫描量热法测定聚合物的热性能（2学时）

  （16）聚合物的体积电阻系数和表面电阻系数的测定（4学时）

  （17）溶胀平衡法测定交联聚合物的交联度（2学时）

  （18）稀溶液粘度法测定聚合物的分子量（8学时）

  （19）乌式粘度计的动能校正（4学时）

  （20）逐步沉淀分级法（4学时）

  （21）体积排除色谱法测定聚合物的分子量分布（2学时）

  （22）总结及测验（2学时）

  2．课程设计的思想、效果

  针对本课程特点，我们明确提出“开设高分子物理实验四原则”，即（1）实验教学应该充分揭示聚合物和小分子化合物在结构与性能上的显著差别；（2）实验教学应以自己动手搭配装置为原则；（3）实验教学应及时反应高分子物理的研究成果；（4）应把计算机模拟技术引入到实验教学中去。严格按照此“四原则”，我们精选实验，并保持开设有二十几个实验的“高分子物理实验”课程（72学时）。

  结合教学研究和精品课程建设经验，我们总结出了“三个及时融入”的理念，即（1）及时把教学研究成果融入课程内容；（2）及时把科研成果融入课程内容；（3）及时把新概念、新规律和新实验事实融入课程内容。这一理念的确立确保了实验教学内容的先进性和新颖性，也更加充分地体现了本校高分子物理实验教学的特色。

  我们先后研究开发出我校特有的7个特色实验（表1），特别是将计算机模拟技术引入实验教学中，开设了5个计算机模拟实验，即在实验教学中采用分子模拟法模拟和研究现代物理实验方法尚难以为计的高分子物理现象及过程，是高分子物理实验教学的创新模式。部分模拟实验已在国内多所高校得到应用（参见教学效果及评价）。

  表1 开发的高分子物理特色实验

  	实验名称	主要内容		涉及的知识点		参考文献
  	二维高分子链形态的计算机模拟	应用自编的改进型四位置模型，模拟二维空间中的自回避行走链和无规行走链，直观展示高分子链的内旋转以及链的形态和尺寸变化，求取尺寸与聚合度的标度率，了解诺贝尔奖获得者de Gennes的理论。		高分子链的构象；自回避行走链、无规行走链的特征；均方末端距和均方回转半径与聚合度的标度关系		1. 杨海洋，易院平，朱平平，何平笙．二维高分子链形态的计算机模拟．高分子通报，2003，(5): 76~80 2. 朱平平，杨海洋，何平笙，“高分子物理实验”精品课程建设的探索．高分子通报，2007，(7):61~64 3. PG de Gennes. Scaling Concepts in Polymer Physics, Ithaca: Cornell University Press, 1979
  	构建聚乙烯、全同立构聚丙烯分子，并计算它们末端的直线距离	在屏幕上“合成”指定结构的高分子长链，并理解等规高分子构型概念。		构型；构象；末端距；高分子链的柔性		1. 何平笙，杨小震．“分子的性质”软件用于高分子科学教学实验．高分子通报，2000，(1): 86~89 2. 何平笙，李春娥．高分子物理实验课初探．高分子通报，2000，(2): 94~96 3. 杨小震，分子模拟与高分子材料，北京：科学出版社，2002
  	用“分子模拟”软件计算聚丙烯酸甲酯的构象能量	用“分子模拟”软件构造聚丙烯酸甲酯，并任意改变参数直接计算构象能。了解用计算机软件计算大分子分子参数的新趋势。		高分子链柔性；高分子链的形态特征；受阻内旋转		1. 何平笙，杨小震．“分子的性质”软件用于高分子科学教学实验．高分子通报，2000，(1): 86~89 2. 杨小震，分子模拟与高分子材料，北京：科学出版社，2002
  	受限空间中的大分子链穿越纳米管道的Monte Carlo模拟	展示大分子链在熵驱动下穿越受限管道的动力学过程，理解高分子链穿越过程与化学反应动力学过程的相似性。		构象熵；高分子链尺寸		1. Yang Haiyang（杨海洋）et al, Barrier height of free energy on confined polymer translocation through a short nano-channel, Biochemical and Biophysical Research Communications, 2006,349,15~19
  	使用Monte Carlo方法观察受限状态下嵌段聚合物自组装结构	用Monte Carlo方法模拟受限状态下嵌段聚合物的自组装行为，理解以高分子为组装单元的超分子行为，使学生及时了解此领域的研究动态。		高分子凝聚态结构；高分子之间相互作用；微观相分离等		1. Liang Haojun（梁好均） et al, Effect of surface field on the morphology of a symmetric diblock copolymer under cylindrical confinement, Journal of Chemical Physics 2006, 124, 104906 2. 杨玉良，张红东．高分子科学中的Monte Carlo方法，上海：复旦大学出版社，1993
  	动态扭振法测定热固性树脂的固化曲线（自制固化仪）	用力学量的变化来研究化学反应		强迫振动非共振法		1. 何平笙，李春娥．高分子物理实验课初探．高分子通报，2000，(2): 94~96 2. 朱平平，杨海洋，何平笙，“高分子物理实验”精品课程建设的探索．高分子通报，2007，(7):61~64
  	稀溶液粘度法测定聚合物的分子量及实验改进	消除高分子在粘度计毛细管管壁的吸附导致的毛细管管径的减小、界面性质的变化以及高分子与界面之间相互作用的改变对高分子溶液粘度测定的影响		高分子溶液相对粘度、粘性流动、高分子与界面之间相互作用		1.Yang Haiyang, Li Hao, Zhu Pingping, et al. A novel method for determining the viscosity of polymer solution. Polymer Testing, 2004, 23(8):897~901 2.杨海洋，严宇亮，朱平平，朱清仁，何平笙．粘度法研究高分子溶液行为的实验改进（Ⅲ）．化学通报，2004，67(10): w87 3.杨海洋，李浩，朱平平，朱清仁，范成高．粘度法研究高分子溶液行为的实验改进(Ⅱ) ．化学通报，2002，65(9):631~634 4.杨海洋，朱平平，任峰，李国锋，吴澎．粘度法研究高分子溶液行为的实验改进．化学通报，1999，62(5):47~49 5.杨海洋，张胡铭，徐小云，朱平平，何平笙．毛细管表面疏水改性对粘度测定的影响．化学通报，2003，66(7): w053

  另外， “用稀溶液粘度法测定聚合物的分子量”是高分子物理的基本实验技术，有高分子专业的高校一般都开设这个实验。我们对这一实验技术进行多次有效改进，使得测定结果更为可靠，并进一步确立了粘度法是研究和表征高分子链间相互作用的一种简便方法。这一改进技术获2003年中国分析测试协会科学技术三等奖，另外发表在化学通报上的论文“粘度法研究高分子溶液行为的实验改进(Ⅱ)”获第三届中国化学会“化学通报”优秀论文奖。首都医科大学还将这一改进技术用于该校的“物理化学实验”课程中（参见贵校发表的教学论文：大学化学，2006，21（4）：53~57）。

  3．教学内容的特点

  （1）涉及知识点多，教学内容丰富（72学时），涵盖了高分子物理的主要内容（高分子链结构、凝聚态结构、分子运动、力学行为、溶液行为、流变特性等）；

  （2）及时融入了教学研究成果、科研成果、学科发展成果（即我们总结的“三个及时融入”理念）；

  （3）知识结构更为合理，注重学科交叉；

  （4）对学生准确理解高分子物理课程精髓、提升运用各种实验技术能力大有帮助；

  （5）由于融入了我校高分子物理科研成果和教研成果，本课程教学特色更加鲜明。