高分子凝聚態(tài)物理論文

1、 碩 士 研 究 生 課 程 作 業(yè)課程名稱：材料軟件及其應用 題目： 高分子凝聚態(tài)物理綜述 學 院： 材料科學與工程學院 專業(yè)（方向）： 材料工程 學 號： 212014153 學 生： 李 凈 植 授 課 老 師： 彭錦雯 完 成 時 間： 2014年11月23日 摘要：高分子凝聚態(tài)的基本物理問題研究多年前已經(jīng)得到中國科學院和國家自然科學基金會的重點支持。這一項目的提出,一方面是因為高分子材料制造、加工和應用中大量物理問題需要理論指導,另一方面是學科發(fā)展的必要。1 引言自從二十世紀二十年代H. Staudinger提出“大分子（macromolecule）”概念以來，高分子科學取得突飛猛進

2、的發(fā)展。在高分子科學中，高分子凝聚態(tài)物理學始終是其最重要的組成部分之一。所謂凝聚態(tài)，是指由大量原子或分子以某種方式（結合力）聚集在一起，能夠在自然界相對穩(wěn)定存在的物質(zhì)形態(tài)1 。高分子凝聚態(tài)物理學即是以現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學中的新概念、新理論、新實驗方法與高分子材料和高分子科學的特點相結合，用以說明、理解高分子材料復雜的結構、形態(tài)、分子運動、各種特殊的聚集狀態(tài)及其相態(tài)轉變，以及這種結構、相態(tài)特點與大分子聚合物作為材料使用時所體現(xiàn)出的特殊性能、功能間的關系。近年來，高分子凝聚態(tài)物理學又出現(xiàn)新的發(fā)展高峰。隨著現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學的發(fā)展，大量新觀點、新思想、新的研究方法紛紛被引用到高分子物理學的研究中，成為高分

3、子科學新的研究前沿2,3,4,5。比較有代表性的研究成果有：大分子單鏈凝聚態(tài)和單鏈單晶；軟物質(zhì)概念及高分子材料的軟物質(zhì)特征；大分子蛇行蠕動模型及對分子鏈纏結現(xiàn)象的說明；聚合物相變中的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象和臨界現(xiàn)象；分子間相互作用力及超分子組裝和自組裝；逾滲模型及其在高分子科學中的應用等，每一領域都包含豐富的研究內(nèi)容，揭示出許多新的有趣的現(xiàn)象和規(guī)律。高分子凝聚態(tài)物理綜述高分子物理凝聚態(tài)是研究高分子物質(zhì)物理性質(zhì)的科學。其研究的主要方向包括高分子形態(tài)，高分子機械性能，高分子溶液，高分子結晶等熱力學和統(tǒng)計力學方向的學科，以及高分子擴散等動力學方面的學科。本論文主要了解高分子物理的研究熱點內(nèi)容；高分子材料對于高分

4、子物理的輔助作用；高分子科學的前沿與展望；著重研究高分子結晶的分類及結晶過程。高分子物理是研究高分子的結構、性能及其相互關系的學科，它與高分子材料的合成、加工、改性、應用等都有非常密切的內(nèi)在聯(lián)系。因為只有掌握了高分子結構與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，才能有的放矢地指導高分子的設計與合成，合理地選擇和改性高分子材料，并正確地加工成型各種高分子制品。高分子物理課程建立在物理化學、高分子化學、固體物理、材料力學等課程的基礎之上，同時又是高分子材料、高分子成型加工等課程的基礎。一現(xiàn)代高分子凝聚態(tài)物理的基本觀點按現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的觀點，聚合物體系屬于軟物質(zhì)（soft matter）或復雜流體（comple

5、x fluids），它具有許多不同于其他物質(zhì)的特性：如平衡態(tài)由熵效應決定而不是如其他物質(zhì)體系由內(nèi)能效應決定、多自由度、復雜的拓撲結構、標度性、非晶態(tài)固體結構，以及特有的線性和非線性粘彈性等，是最具有實際應用意義的材料體系。合成高分子多具有鏈式結構，它是由多個小分子（103105）作為結構單元以共價鍵結合而形成的；整個分子鏈具有復雜的拓撲結構；合成高分子凝聚態(tài)結構是由大量的高分子依靠分子內(nèi)和分子間的范德瓦爾斯相互作用凝聚而成，表現(xiàn)為晶態(tài)和非晶態(tài)（玻璃態(tài)和橡膠態(tài)）。聚合物具有近程、遠程和凝聚態(tài)這樣由小到大的三個結構層次；而且，高分子鏈具有自相似結構，因而高分子具有其它材料所沒有的標度性，其很多性質(zhì)

6、是可標度的，即表征高分子特性的函數(shù)可以寫成一個系數(shù)因子乘以一個標度形式，其中，由單體所決定的化學性質(zhì)出現(xiàn)在前面的系數(shù)因子中，而由長鏈所決定的物理性質(zhì)出現(xiàn)在標度形式中；此外，某些種類的高分子之間能以化學鍵相互聯(lián)結而形成交聯(lián)網(wǎng)狀結構，交聯(lián)程度對其力學性能有重要影響。高分子體系是具有多尺度特性的材料的典型代表。在聚合物中，從最初的單分子鏈開始就決定了其多尺度行為和特殊性。因為單分子鏈由成千上萬個原子組成，具有相當多的內(nèi)部自由度以及特征長度、特征時間，呈現(xiàn)多尺度特性。所謂多尺度特性，可以從空間尺度的角度去理解，比如研究高分子材料的結構和性能可以從微觀的單分子鏈入手，也可從介觀的體系相態(tài)和形態(tài)結構入手，

7、甚至可直接研究宏觀材料的結構和性能。其研究方法、觀點、手段各不相同。也可以從時間尺度的角度去理解多尺度特性，由于粘彈性聚合物結構單元運動具有極廣的松弛時間譜，從10-12秒到幾天、甚至幾年，因此在不同的外場、不同的實驗方法中人們可以測到不同結構單元的運動，反應材料不同的特性。甚至可以從濃度的觀點去理解多尺度特性，從極稀溶液到極濃溶液乃至本體，體系濃度跨越7-8個數(shù)量級。對不同濃度的體系研究內(nèi)容和方法均不同。從而使高分子凝聚態(tài)物理的研究變得十分復雜、有趣、豐富多彩。聚合物多尺度研究中所遇到的問題是，無論是理論上還是實驗上，迄今為止還沒有做到多尺度上的連貫性：一個尺度上的理論與實驗只能解決這一個尺

8、度上的問題，還無法一致貫通地從單分子設計做到材料加工?？墒?，從單分子設計做到材料加工又是人們最需要做到的事情。因為只有這樣，才能通過最經(jīng)濟、最有效的方法，得到我們所需要的材料及其制品。因此，從單分子設計一路貫通地到材料加工這樣一個跨接多個尺度的科學問題，是一個具有前瞻性、挑戰(zhàn)性的重大課題，同時也是高分子科學、凝聚態(tài)物理、材料科學和計算數(shù)學等學科交叉的、新的學科生長點。從應用意義上講，這是一條科學而理智的路，也是一條必須走通的路。世界上很多國家想走通這條道路，但目前都還剛剛起步，打通不同尺度間各個環(huán)節(jié)的工作還有很多。對聚合物的研究在國際上已引起理論和實驗物理學家的濃厚興趣，常將聚合物作為對現(xiàn)代凝

9、聚態(tài)物理理論驗證的重要實驗體系。很多物理理論之所以最先在高分子體系中得到驗證，是因為高分子體系具有平均場的特性。另一方面，它的馳豫時間很長，特征溫度范圍非常寬，因而在實驗上可以精確測量。與此同時，凝聚態(tài)物理學的發(fā)展又大大促進了高分子科學的概念更新，只有通過現(xiàn)代凝聚態(tài)物理與高分子物理的交叉發(fā)展才能解決高分子物理基礎問題，而高分子物理基礎問題的研究對高分子材料的研究有重要指導作用。對聚合物的研究還是當前平衡與非平衡態(tài)統(tǒng)計物理發(fā)展的重要推動力之一。從聚合物凝聚態(tài)結構出發(fā)，闡明和預報體系的平衡與非平衡態(tài)的物理性質(zhì)，最后達到能夠定量描述聚合物復雜結構與性能。目前已有一些唯象或半唯象的描述模型，有的是定性

10、的模型、有些是半經(jīng)驗、半定量的，尚缺乏從微觀到宏觀的系統(tǒng)認識。二 當前高分子物理的研究熱點自從二十世紀二十年代H. Staudinger提出“大分子”概念以來，高分子科學和高分子材料工業(yè)取得突飛猛進的發(fā)展。高分子材料作為材料領域的后起之秀，早已在民國經(jīng)濟、國防建設和尖端技術領域取得廣泛應用，成為現(xiàn)代社會生活不可或缺的重要資源。與此同時，經(jīng)過近一個世紀的努力，高分子科學也在高分子化學、高分子物理、聚合物成型加工理論、功能高分子等領域取得豐碩成果，高分子科學的框架已經(jīng)基本確定。近十數(shù)年來，高分子科學在各個分支領域又都取得許多新的成就，呈現(xiàn)出一個新的發(fā)展高峰。其中，高分子物理新進展的一大特點是以現(xiàn)代

11、凝聚態(tài)物理學取得的新成果來研究高分子材料結構、形態(tài)、性能的關系，形成高分子凝聚態(tài)物理學的研究新領域。詳細些講，就是以現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學中的新概念、新理論、新實驗方法與高分子材料和高分子科學的特點相結合，用以說明、理解高分子材料復雜的結構、形態(tài)、分子運動、各種特殊的聚集狀態(tài)及其相態(tài)轉變，以及這種結構、相態(tài)特點與大分子聚合物作為材料使用時所體現(xiàn)出的特殊性能、功能間的關系。形成高分子物理學新的研究亮點和前沿。代表性的研究成果有：軟物質(zhì)概念及高分子材料的軟物質(zhì)特征；大分子稀溶液、亞濃溶液、濃溶液的標度律與分子模型；大分子蛇行蠕動模型及分子鏈的長程纏結圖象；聚合物相變及相變中的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象和臨界現(xiàn)象；大分子

12、單鏈凝聚態(tài)、單鏈單晶及單分子與多分子間的關系；分子間相互作用力及分子組裝和自組裝；液晶高分子材料；生物有機高分子材料；有機導電高分子材料；非均質(zhì)體系；逾滲模型及其在高分子科學中的應用等。每一領域都包含若干新的概念、理論和豐富的研究內(nèi)容，揭示出許多新的有趣的現(xiàn)象和規(guī)律。與小分子材料不同，高分子材料因其結構的特殊性具有比通常物質(zhì)豐富多彩的存在狀態(tài)：除有結晶態(tài)（不同的晶型）、粘流態(tài)外（高分子材料沒有氣態(tài)），還有無定型態(tài)（玻璃態(tài)、高彈態(tài)）、液晶態(tài)、取向態(tài)、共聚-共混態(tài)（非均質(zhì)態(tài)）及各種激發(fā)態(tài)等。普遍的情形是一種高分子材料中幾種聚集態(tài)可以同時存在，如結晶態(tài)與無定型態(tài)共存；結晶態(tài)與液晶態(tài)共存。這些狀態(tài)下的

13、分子運動及相互轉變規(guī)律與小分子物質(zhì)也不同，有其獨特的研究興趣和研究方法。三高分子科學的學科前沿與展望高分子鏈結構研究、聚合物的聚集態(tài)結構研究以及這種結構與高分子聚合物作為材料使用時所體現(xiàn)出來的性能、功能間的關系研究始終是高分子物理研究的主要線索。在這種研究線索指引下，有關高分子鏈結構（鏈構型、構象、支化度、序列結構、交聯(lián)結構等）、聚集態(tài)結構（濃溶液、液晶態(tài)、晶態(tài)、非晶態(tài)、多相體系、熔體等）的新觀點、新現(xiàn)象、新的研究方法、對聚集態(tài)本質(zhì)及其變化過程的理論歸納等課題成為高分子物理研究的前沿領域。與“靜態(tài)”的結構研究相比，高分子的“動態(tài)”結構研究，諸如分子鏈運動及動力學行為、聚集態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)結構現(xiàn)象及其

14、變化規(guī)律、聚合物流體的非線性粘彈行為等，更是近年來展現(xiàn)的一些前沿領域。此外，聚合物的表面、界面結構和性質(zhì)研究、材料力學性質(zhì)（韌性、破壞等）的分子運動依據(jù)、電子功能聚合物的分子原理、生物高分子（例如多肽、多糖）的鏈結構和聚集態(tài)結構、生物高分子聚集態(tài)結構和生命現(xiàn)象的關系以及難溶高分子分子量的表征研究等，也成為當今高分子物理研究的前沿領域。關于高分子科學的理論研究領域，采用新觀點、新模型、新概念對實驗現(xiàn)象進行理論歸納，在新概念、新理論指導下采用數(shù)學、計算機方法解決高分子科學實驗中的實際問題（例如功能高分子的分子設計、高性能材料的分子設計、實驗現(xiàn)象的模擬和理論解釋等），是高分子科學理論研究領域的前沿課

15、題。展望未來高分子物理的發(fā)展，應注意吸收物理學和數(shù)學領域的新概念、新理論、新成就來開拓今后高分子物理的研究；采納凝聚態(tài)物理學關于聚合物屬于軟物質(zhì)的新概念，研究聚合物在外場作用下（加工或成型過程）形態(tài)、結構的形成及變化規(guī)律和控制條件，探索聚合物的軟物質(zhì)特征，了解高分子對外界信號（光、電、磁、酸堿值及壓力等）的刺激作出結構、性能和功能響應的規(guī)律；注意對非鍵合“高聚物”（超分子體系）、復雜拓撲鏈（如超支化高分子）及超薄膜體系等的研究。四 高分子結晶1. 形態(tài)和結構聚合物的基本性質(zhì)主要取決于鏈結構，而高分子材料或制品的使用性能則很大程度上還取決于加工成型過程中形成的聚集態(tài)結構。聚集態(tài)可分為晶態(tài)、非晶態(tài)

16、、取向態(tài)、液晶態(tài)等，晶態(tài)與非晶態(tài)是高分子最重要的兩種聚集態(tài)。結晶形態(tài)主要有球晶、單晶、伸直鏈晶片、纖維狀晶、串晶、樹枝晶等。球晶是其中最常見的一種形態(tài)。結晶形態(tài)都是由三種基本結構單元組成，即無規(guī)線團的非晶結構、折疊鏈晶片和伸直鏈晶體。所以結晶形態(tài)中都含有非晶部分，是因為高分子結晶都不可能達到100%結晶2. 高分子晶體的特征、高分子晶體本質(zhì)上是分子晶體。、具各向異性。、無立方晶系。、晶體結構具有多重性。、高分子結晶的不完全性。3. 高聚物的結晶能力與結晶過程總的來說，影響結構過程的內(nèi)部因素是聚合物必須具有化學結構的規(guī)則性和幾何結構的規(guī)整性才能結晶。典型例子如下：聚乙烯、聚偏氯乙烯、聚異丁烯、聚

17、四氟乙烯、反式聚丁二烯、全同聚丙烯、全同聚苯乙烯等易結晶。無規(guī)聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、順式聚丁二烯、乙烯丙烯無規(guī)共聚物等不結晶。聚氯乙烯為低結晶度。天然橡膠在高溫下結晶。此外柔性好和分子間作用力強也是提高結晶能力的因素，前者提高了鏈段向結晶擴散和排列的活動能力，后者使結晶結構穩(wěn)定，從而利于結晶，典型例子是尼龍（由于強的氫鍵）。而影響結晶過程的外界因素主要有：（1）溫度（理解為提供熱能）；（2）溶劑（提供化學能），稱溶劑誘導結晶；（3）應力或壓力（提供機械能），稱應力誘導結晶；（4）雜質(zhì)（成核或稀釋）。五大分子間作用力和分子運動形式形成高聚物多姿多彩的凝聚狀態(tài)的內(nèi)在原因，是大分子間存

18、有形式多樣的次價鍵作用力分子間作用力。其主要形式有： 彌散力：分子間的電場互相感應產(chǎn)生隨時間漲落的偶極子引力，這種引力普遍存在于所有分子中； 極性作用力：包括偶極子-偶極子和偶極子-感應偶極子兩種相互作用力，存在于極性分子間； 氫鍵：存在于同時具有吸質(zhì)子官能團和給電子官能團的分子中。其他可列舉的分子間相互作用還有：憎水相互作用、給體-受體相互作用、離子鍵等。在同系物中，分子間的次價鍵隨分子量增大而增多。高聚物的分子量一般是巨大的，因此分子間的次價鍵力分子間作用力往往相當大，超過主鏈上的化學鍵力，在形成高聚物凝聚態(tài)和決定高聚物的基本性質(zhì)方面起關鍵性作用。近年來，人們愈來愈深刻地認識到，高分子材料

19、中的分子間相互作用是一個龐大而發(fā)展迅速的研究課題，也是研究高分子色彩繽紛的凝聚態(tài)結構和性能的核心問題。如果說分子化學是建立在共價鍵基礎上的，那么最近發(fā)展起來的超分子化學就是建立在分子間非共價鍵基礎上的學科。該學科的目標是要對分子間相互作用加以控制。超分子體系是一種分子社會。非共價鍵式的分子間相互作用決定了這個社會中成員之間的鍵合、作用和反應，即分子個體和群體的行為。分子間相互作用組成了生命現(xiàn)象中許多重要過程，如高度選擇的識別、反應、輸運和調(diào)控。在設計具有高度有效性及選擇性的仿生學體系時，需要對給定分子構造中的分子間相互作用的能量及立體化學的特性有一個正確的理解。在這樣的工作中，化學家和材料科學

20、家們受到很多生命現(xiàn)象中巧妙新穎的設計的鼓舞，認識到這種高度的有效性及選擇性確實是可以通過化學的方法達到的。而化學家及材料學家們并不僅僅局限于類似生命科學中的體系，他們期望基于對分子間相互作用的認識及操控，在更廣闊的空間去創(chuàng)造新的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)新的過程。描寫分子間作用力大小可采用內(nèi)聚能密度。1摩爾物質(zhì)中的分子引力位能稱為摩爾內(nèi)聚能，單位為kJ/mol或cal/mol。設分子完全離散時，引力位能為零，故摩爾內(nèi)聚能就是使1摩爾分子完全離散所需要的能量，大致相當于恒容下的汽化熱。單位體積物質(zhì)的內(nèi)聚能稱內(nèi)聚能密度，單位為kJ/m3或cal/m3。內(nèi)聚能密度是描寫分子間作用力大小的重要物理量。高聚物的許多性質(zhì)

21、，如溶解度、相容性、粘度、形變模量等都受分子間作用力的影響，因而都與內(nèi)聚能密度有關。按照內(nèi)聚能密度的大小，高分子材料可分為橡膠、塑料、纖維幾大類（實際上正是物質(zhì)的存在狀態(tài)凝聚態(tài)決定了其使用用途）。內(nèi)聚能密度也是決定高聚物玻璃化轉變溫度的重要因素。高聚物表現(xiàn)的物理狀態(tài)還取決于分子的運動形式。在高聚物本體中，分子的主要運動形式有兩種： 大分子線團的整體運動； 分子中鏈段的運動。分子整鏈運動時，各分子線團的相對位置發(fā)生變化。而分子整鏈運動是通過鏈段的協(xié)同運動實現(xiàn)的，真正的運動單元仍是鏈段。下表給出無定形高聚物在升溫過程中由于分子運動形式改變而產(chǎn)生的物理狀態(tài)的變化。分子運動形式與物理狀態(tài)的聯(lián)系物理狀態(tài)

22、 玻璃態(tài) （皮革態(tài)）高彈態(tài) 粘彈態(tài) 粘流態(tài)升溫過程 低溫 高溫分子運動 鏈段凍結 （過渡） 鏈段運動 鏈段運動 整鏈運動 形式 為主 加整鏈運動 為主按現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學的概念，高分子體系可被稱為軟物質(zhì)（soft matter）或復雜流體（complex fluids）。高分子復雜流體的主要特點是：（1） 高分子熔體是粘彈體，高分子粘彈性對其形態(tài)的形成及其動力學有著復雜的影響。（2） 高分子的粘彈弛豫時間譜特別寬，可跨越十幾個數(shù)量級，并且其熔體在很小的應變下就會出現(xiàn)強烈的非線性行為，表現(xiàn)出獨特的形態(tài)選擇特征。（3） 高分子鏈可具有復雜的拓撲結構和多種類型的嵌段共聚物，已有的實驗已經(jīng)表明其將導致十

23、分復雜的形態(tài)。現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學家及高分子材料科學家之所以對高分子復雜流體的形態(tài)及形態(tài)生成感興趣，主要原因在于：（1） 高分子材料的物理、機械性能與體系中的形態(tài)有著十分密切的關系，人們希望通過對高分子體系形態(tài)的控制來獲得性能更為優(yōu)越的新型材料。（2） 高分子的分子量很大、粘度高，且形態(tài)的空間特征尺寸也較大，這些特點不僅為對體系的實時跟蹤觀測提供了方便，而且更易于對形態(tài)形成的初期動力學行為、表面浸潤和界面影響進行研究。（3） 由于高分子特有的長鏈結構，柔性高分子鏈具有無規(guī)線團的分子形狀，高分子鏈的構象熵和分子鏈間的相互作用焓有著復雜的交互作用。因此，高分子體系在統(tǒng)計熱力學的框架內(nèi)的理論處理尚有許多

24、極富有挑戰(zhàn)性的研究課題。（4） 高分子具有分子量可調(diào)，拓撲結構、共混組分和共聚構型容易改變等優(yōu)點，故此高分子體系也常常用來對一些理論進行驗證。（5） 高分子體系的形態(tài)生成本身也有許多富有挑戰(zhàn)性的問題，如組分間的粘彈性反差、模量反差和鏈的剛柔性反差對形態(tài)生成及其動力學的影響等。六高分子科學的研究前沿在高分子化學領域，新的有用的高分子化合物的分子設計及合成、新的聚合反應及聚合方法，始終是高分子化學研究的前沿領域。在這個發(fā)展線索的推動下，可控制反應物的空間立構及其分子量、分子量分布的可控聚合、活性聚合、生物酶催化聚合，微生物合成、新功能化合物的分子設計及合成、高性能（耐高溫、高強度、高模量）化合物的

25、分子設計及合成、納米粒子的合成方法、各種有機-無機分子內(nèi)雜化材料的合成、聚合物加工成型過程中的化學反應（反應加工）、聚合物材料的化學改性方法（表面改性、分子改性）、基于分子識別和著眼于各種新功能材料探索而出現(xiàn)的分子有序組裝體系的設計和組裝合成方法而形成的超分子體系組裝化學等，已成為當今高分子化學的前沿領域。高分子物理的研究前沿：高分子鏈結構研究、聚合物的聚集態(tài)結構研究以及這種結構與高分子聚合物作為材料使用時所體現(xiàn)出來的性能、功能間的關系研究始終是高分子物理研究的主要線索。在這種研究線索指引下，有關高分子鏈結構（鏈構型、構象、支化度、序列結構、交聯(lián)結構等）、聚集態(tài)結構（濃溶液、液晶態(tài)、晶態(tài)、非晶

26、態(tài)、多相體系、熔體等）的新觀點、新現(xiàn)象、新的研究方法、對聚集態(tài)本質(zhì)及其變化過程的理論歸納等課題成為高分子物理研究的前沿領域。與“靜態(tài)”的結構研究相比，高分子的“動態(tài)”結構研究，諸如分子鏈運動及動力學行為、聚集態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)結構現(xiàn)象及其變化規(guī)律、聚合物流體的非線性粘彈行為等，更是近年來展現(xiàn)的一些一些前沿領域。此外，聚合物的表面、界面結構和性質(zhì)研究、材料力學性質(zhì)（韌性、破壞等）的分子運動依據(jù)、電子功能聚合物的分子原理、生物高分子（例如多肽、多糖）的鏈結構和聚集態(tài)結構、生物高分子聚集態(tài)結構和生命現(xiàn)象的關系以及難溶高分子分子量的表征研究等，也成為當今高分子物理研究的前沿領域。關于高分子科學的理論研究領域，采用新觀點、新模型、新概念對實驗現(xiàn)象進行理論歸納，在新概念、新理論指導下采用數(shù)學、計算機方法解決高分子科學實驗中的實際問題（例如功能高分子的分子設計、高性能材料的分子設計、實驗現(xiàn)象的模擬和理論解釋等），是高分子科學理論研究領域的前沿課題。高分子工程（聚合反應工程和聚合物成型）：高分子工程研究高分子化合物的工業(yè)規(guī)模合成技術及聚合成型過程中的科學工程問題。這個領域的前沿研究領域有用于制備新塑料、纖維、彈性體、粘合劑等高分子化合物的前期工業(yè)合成技術研究（超高分子量化合物，嵌段聚合物、接枝聚合物、新合成方法等），聚合物新成型方法、新成型技術（振動剪切塑化成型、氣輔成型、反應加工成型、特種纖維的紡制