疏水缔合聚合物稳定乳状液的研究*

本文综述了近年来疏水缔合聚合物稳定乳状液的研究进展。论述了疏水缔合聚合物水溶液的性质,由于其较复杂的分子结构以及其分子主链上疏水基团的缔合作用,使其水溶液增稠的能力比小分子表面活性剂的增稠能力强的多。另外,对疏水缔合聚合物单独稳定乳状液的研究现状进行了介绍,其稳定乳状液的机理与小分子表面活性剂不同。同时讨论了疏水缔合聚合物与表面活性剂的相互作用,此类聚合物可与小分子表面活性剂通过静电和疏水缔合发生强烈的相互作用形成复合体系,并评述了其复配体系稳定乳状液的情况。最后总结了疏水缔合聚合物稳定乳状液的机理。     

Gemini表面活性剂对疏水缔合聚丙烯酰胺界面吸附膜扩张流变性质的影响

采用小幅低频振荡和界面张力弛豫技术, 考察了疏水缔合水溶性聚丙烯酰胺(HMPAM)在正癸烷-水界面上的扩张黏弹性质, 研究了不对称Gemini表面活性剂C₁₂COONa-p-C₉SO₃Na对其界面扩张性质的影响. 研究发现, 疏水链段的存在, 使HMPAM在界面层中具有较快的弛豫过程, 扩张弹性显示出明显的频率依赖性. 表面活性剂分子可以通过疏水相互作用与聚合物的疏水嵌段在界面上形成类似于混合胶束的特殊聚集体. 表面活性剂分子与界面聚集体之间存在快速交换过程, 可以大大降低聚合物的扩张弹性. 同时, 聚合物分子链能够削弱表面活性剂分子长烷基链之间的强相互作用, 导致混合吸附膜的扩张弹性远低于单独表面活性剂吸附膜.     

含磷钼酸的超分子复合材料的制备和结构研究

介绍了一类端基含羧基结构的液晶性表面活性剂CDDA通过静电相互作用与磷钼酸(HPMo)进行复合,得到表面包覆柔性烷基链和羧基端基的复合物SEP-PMo,并通过元素分析、热失重等方法确认其化学结构.该复合物表现出稳定的液晶相,DSC,PLM,SAXS和TEM等研究表明其为层状相结构.进一步将SEP-PMo复合物与P4VP混合,通过羧基与吡啶环上氮的氢键相互作用,得到稳定的PMo和聚合物的复合物,同时对比研究了HPMo与P4VP直接共混后的静电复合物结构,表明经表面活性剂修饰后的PMo可在聚合物中保持其聚集态结构.     

用于透射电子显微镜表征的单层纳米晶/聚合物复合薄膜的制备

为了提高纳米晶的TEM表征质量, 通过在水/气两相界面上铺展纳米晶/聚合物复合单层膜的方法, 制备了质量较高的TEM样品. 对于水相纳米晶采用表面活性剂再包覆的方法, 将其转移到油相. 与传统制样方法(尤其是水相合成纳米晶)相比, 嵌入聚合物膜中的纳米晶更容易分散(受到空间位阻与分子间弱相互作用等因素的影响), 并且聚合物膜可以自支持在空的铜网上, 从而提高了TEM照片的清晰度. 研究了系统中聚合物、纳米晶、表面活性剂和溶剂的种类及配比关系对于样品和成像质量的影响, 结果表明, 该方法对各种金属及半导体纳米晶的TEM表征具有一定的普适性.     

两亲无规聚合物的聚集行为及其与非离子表面活性剂的相互作用

以2-丙烯酰胺基-十二烷基磺酸(AMC12S)与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)进行无规共聚,合成了含AMC12S摩尔分数(X)较高(X=0.1,0.3,0.5)的一系列两亲聚合物.采用稳态荧光及动态光散射技术对聚合物在水溶液中的聚集行为及其与三种非离子表面活性剂(HO(CH2CH2O)10C12H25(C12E10)、HO(CH2CH2O)20C12H25(C12E20)和HO(CH2CH2O)40C12H25(C12E40))的相互作用进行了研究,并考察了X对聚集行为的影响以及表面活性剂亲水基团长度对相互作用的影响.随着X的增大,聚合物的临界聚集浓度(CAC)明显减小,X=0.5时聚合物的CAC低达0.0039g·L-1.聚集体的流体力学半径(Rh)都大于26nm,并随着聚合物浓度的升高而增大,说明聚合物分子主要以分子间的聚集方式聚集,形成多分子聚集体.随X的增大,聚集体Rh减小,同时Rh随聚合物浓度升高而增大的幅度减小,说明聚集体结构变得更加紧实.表面活性剂与聚合物之间存在很强的相互作用,在混合溶液中表面活性剂浓度达到临界胶束浓度(CMC)左右时聚合物聚集体开始解离,形成混合聚集体.亲水基团长度增长,表面活性剂对聚合物聚集体的解离能力随之增强.C12E40与X=0.5的聚合物形成的混合聚集体Rh为6.8nm,与C12E40自身形成的聚集体尺寸相当.     

高温高矿化度条件下驱油剂中聚合物分子结构形态及其在中低渗油层中的渗流特性

利用动态光散射(DLS)、电镜扫描(SEM)和岩心驱替实验等方法, 对高温高矿化度条件下聚合物溶液和“聚合 物/表面活性剂”二元复合驱油体系中聚合物分子线团尺寸及其影响因素和在中低渗油藏环境下的渗流特性进行了实验研究, 并对其渗流规律进行了机理分析. 结果表明, 在高温高矿化度条件下, 随聚合物浓度增加, 聚合物溶液和“聚合物/表面活性剂”二元复合驱油体系中聚合物分子线团尺寸D_h都呈现“先增大后减小”的变化规律. 非离子型表面活性剂以胶束聚集体形式吸附在聚合物分子链上, 造成二元复合驱油体系中聚合物分子线团尺寸D_h大于聚合物溶液. 在溶剂水矿化度较高和岩心渗透率较低条件下, 后续注入水的冲刷和稀释作用造成岩心内滞留聚合物浓度降低, 聚合物分子线团尺寸D_h增加, 最终导致聚合物溶液和“聚合物/表面活性剂”复合体系的残余阻力系数大于阻力系数.     

掺杂聚合物对溶致液晶结构的影响

利用聚合物大分子作构建组分,将其掺杂到不同类型表面活性剂构成的溶致液晶中,考察对液晶相结构的影响．利用小角X射线散射及偏光显微镜对聚合物掺杂前后液晶的结构进行表征,并讨论了聚合物与液晶模板间的相互作用．对阴离子型表面活性剂琥珀酸二异辛酯磺酸钠(AOT)／水液晶体系,聚合物的嵌入使层间距d增大;而对非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚(C12EO4)／水体系,除小分子量的聚乙二醇PEG400外,其它聚合物嵌入使d减小,表明聚合物分子类型、大小及浓度对溶致液晶的结构参数甚至组装方式有不同的影响机制．     

正负离子和表面活性剂对水解聚丙烯酰胺分子线团尺寸的影响及其作用机理

采用动态光散射(DLS)方法,研究了无机电解质正离子与负离子对部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)分子线团尺寸的影响,也研究了阴离子型表面活性剂与非离子型表面活性剂对HPAM分子线团尺寸的影响.结果表明,无机电解质负离子对HPAM分子尺寸(分子流体力学直径(Dh))影响较小,而无机电解质正离子对Dh的影响较大,且影响程度随正离子浓度增大而减小.Ca2+、Mg2+、K+和Na+对Dh的作用强弱顺序为Mg2+>Ca2+>Na+>K+.当向聚合物溶液中加入阴离子型表面活性剂时,随表面活性剂浓度增大,Dh先减小,后增大,再减小.此外,由于强烈的静电斥力作用,阴离子型表面活性剂分子在聚合物分子表面吸附较弱,难形成"表面活性剂-聚合物"络合物,而非离子型表面活性剂会以类似于胶束聚集体的形式吸附在聚合物分子链上,形成"表面活性剂-聚合物"络合物,结果造成Dh随表面活性剂浓度增加而逐渐增大.     

介观模拟方法研究高分子表面活性剂在水介质中的聚集行为

高分子表面活性剂已广泛应用于许多领域, 其构型复杂、分子量大等特点使其聚集行为不同于小分子表面活性剂. 从微观上认识其聚集行为可为应用提供指导, 因而此方面的研究倍受关注. 计算机模拟技术的发展使我们能成功地在微观或介观水平上获得高分子表面活性剂聚集行为的信息. 本文综述了耗散粒子动力学(DPD)和介观动力学(MesoDyn)在高分子表面活性剂聚集行为研究中的应用. 着重介绍了这两种介观模拟方法研究单一高分子表面活性剂溶液的相行为及其与低分子表面活性剂之间的相互作用, 揭示了实验中难以观测的微观相分离及聚集体结构形态的变化规律. 这些信息可以为实验研究提供指导和补充.     

疏水缔合共聚物与表面活性剂的界面相互作用

采用界面张力弛豫法研究了疏水缔合聚合物聚丙烯酰胺/2-乙基己基丙烯酸酯[P(AM/2-EHA)]在正辛烷-水界面上的扩张粘弹性质, 考察了不同类型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、聚环氧乙烯醚(Tx-100)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对其界面扩张性质的影响. 研究发现, 界面上的表面活性剂分子可以与聚合物的疏水嵌段形成类似混合胶束的聚集体, 表面活性剂分子与聚集体之间存在快速交换. 这种弛豫过程的特征时间远比分子在体相与界面间的扩散交换时短. 当界面面积增大时, 上述混合胶束中的表面活性剂分子能快速释放, 在界面层内原位快速消除界面张力梯度, 从而大大降低界面扩张弹性. 界面上的CTAB分子与聚合物链节上的负电中心通过较强的电荷吸引作用形成复合物. 当界面面积增大时, 上述混合胶束中的CTAB分子释放较慢, 界面张力梯度较大. 非离子表面活性剂Tx-100分子量较大, 扩散速率较慢, 它在界面上与聚集体间的交换比阴离子表面活性剂SDS慢, 其特征时间约为0.9 s.     

Mechanisms of double ionization in strong laser field from simulation with Coupled Coherent States: Beyond reduced dimensionality models

The recently developed Coupled Coherent States method for solution of the time-dependent Schrödinger equation is used to simulate the strong laser field double ionization of a helium atom in six spatial dimensions. The calculated double ionization yield, as a function of laser intensity, reproduces the “shoulder”, attributable to electron recollisions. The method, which employs a Coherent State representation guided by classical trajectories also provides physical insight into the ionization mechanism. The appearance of the ‘shoulder’, is seen by analysis of the guiding trajectories to arise predominantly from sequential excitation of one electron into a highly excited orbit, followed by an electron–electron collision leading to correlated escape of the two electrons. A second little known mechanism involves recollisions resulting in ionization of the secondary electron, leaving the first in a highly excited state, from which it is later ionized by the laser field.     

利用基于直接动力学的轨线面跳跃方法处理非绝热过程

势能面交叉引起的非绝热过程广泛存在于光化学和光物理中。对这一过程进行描述是理论化学的重要挑战之一。非绝热过程涉及原子核与电子之间的耦合运动,因此量子化学的基本假设之一"玻恩-奥本海默"近似被打破,所以对其进行描述需要发展新的动力学理论方法。在这些方法中,Tully发展的最少轨线面跳跃方法凭借易于程序化、便于计算等优点已经发展成为处理非绝热问题的主要动力学方法之一。其中原子核以经典的方式在单一势能面上进行演化,电子以量子的方式沿着同一轨线进行演化。在整个演化过程中,非绝热跃迁通过轨线在不同势能面间的跃迁来描述,其中跳跃发生的几率与电子的演化有关。如果将该方法与从头算直接动力学相结合,可以在全原子水平上研究实际分子体系的非绝热动力学,给出其激发态寿命、非绝热动力学中分子的主要运动方式、反应通道以及分支比等重要信息。本文旨在讨论最少面跳跃直接动力学方法研究非绝热问题的一些进展,包括动力学基本理论,特别关注将最少面跳跃方法和直接动力学结合的数值实现细节,同时讨论该方法在研究实际体系当中的一些应用,并对轨线面跳跃方法下一步发展的一些方向进行合理的展望。     

多原子体系非绝热动力学的近似理论方法

非绝热动力学普遍存在于光物理和光化学过程中。描述非绝热跃迁需要处理电子-原子核间的相互耦合运动。由于计算量随体系尺度增大剧烈增长,准确的量子动力学计算目前只适用于描述小分子体系。为了研究多原子分子体系的非绝热过程,近年来发展了一些基于量子-经典动力学近似方法。本文将对典型的这类方法包括经典Ehrenfest方法、面跳跃方法、基于Wigner表示的混合量子-经典方法进行简要的介绍,并讨论如何将量子-经典动力学方法与电子结构从头算手段相结合,模拟非绝热过程。重点阐明各种方法的基本思想和优缺点,并对该领域的发展进行展望。     

Choline Chloride as a Nano-Crowder Protects HP-36 from Urea-Induced Denaturation: Insights from Solvent Dynamics and Protein-Solvent Interactions

Urea at sufficiently high concentration unfolds the secondary structure of proteins leading to denaturation. In contrast, choline chloride (ChCl) and urea, in 1 : 2 molar ratio, form a deep eutectic mixture, a liquid at room temperature, protecting proteins from denaturation. In order to get a microscopic picture of this phenomenon, we perform extensive all-atom molecular dynamics simulations on a model protein, HP-36. Based on our calculation of Kirkwood-Buff integrals, we analyze the relative accumulation of urea and ChCl around the protein. Additional insights are drawn from the translational and rotational dynamics of solvent molecules and hydrogen bond auto-correlation functions. In the presence of urea, water shows slow subdiffusive dynamics around the protein owing to a strong interaction of water with the backbone atoms. Urea also shows subdiffusive motion. The addition of ChCl further slows down the dynamics of urea, restricting its accumulation around the protein backbone. Adding to this, choline cations in the first solvation shell of the protein show the strongest subdiffusive behavior. In other words, ChCl acts as a nano-crowder by excluding urea from the protein backbone and thereby slowing down the dynamics of water around the protein. This prevents the protein from denaturation and makes it structurally rigid, which is supported by the smaller radius of gyration and root mean square deviation values of HP-36.     

Ultrafast Electron Transfer with Symmetrical Quasi-classical Dynamics based on Mapping Hamiltonian and Quantum Dynamics based on ML-MCTDH

Symmetrical quasi-classical (SQC) method based on mapping Hamiltonian is an efficient approach that is potentially useful to treat the nonadiabatic dynamics of very large systems. We try to evaluate the performance of this method in the ultrafast electron transfer processes involving a few of electronic states and a large number of vibrational modes. The multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree (ML-MCTDH) method was used to get the accurate dynamical results for benchmark. Although the population dynamics in the longtime limit show differences in the ML-MCTDH and SQC calculations, the SQC method gives acceptable results.     

Computer simulation studies of the miscibility of poly(3-hydroxybutyrate)-based blends

By means of the molecular dynamics simulation method, the miscibility of poly(3-hydroxybutyrate)/polyethylene (PHB/PE) blend has been investigated. Two glass transition temperatures of the PHB/PE are found by scrutinizing its volume-temperature curve, and this result is qualitatively in agreement with the experimental results. To further analyze the miscibility of poly(3-hydroxybutyrate)-based blends, the Flory-Huggins parameters of PHB/PE, poly(3-hydroxybutyrate)/poly(ethylene oxide) (PHB/PEO), poly(ethylene oxide)/polyethylene (PEO/PE) have been calculated via a Monte Carlo scheme, and the morphology of the PHB/PEO and the PHB/PE blend has been simulated using dissipative particle dynamics method. The time evolution of dividing interface for PHB/PEO/PE blend shows a dynamic phase separation process. All these results indicate that PHB and PEO tend to mix together, whereas PE aggregates to form PE-rich domains in the PHB/PE and PHB/PEO/PE blends.     

LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations

In this article, we present a new LINear Constraint Solver (LINCS) for molecular simulations with bond constraints. The algorithm is inherently stable, as the constraints themselves are reset instead of derivatives of the constraints, thereby eliminating drift. Although the derivation of the algorithm is presented in terms of matrices, no matrix matrix multiplications are needed and only the nonzero matrix elements have to be stored, making the method useful for very large molecules. At the same accuracy, the LINCS algorithm is three to four times faster than the SHAKE algorithm. Parallelization of the algorithm is straightforward. © 1997 John Wiley & Sons, Inc. J Comput Chem 18 : 1463–1472, 1997     

Effect of Size and Temperature on Water Dynamics inside Carbon Nano-Tubes Studied by Molecular Dynamics Simulation

Water transport inside carbon nano-tubes (CNTs) has attracted considerable attention due to its nano-fluidic properties, its importance in nonporous systems, and the wide range of applications in membrane desalination and biological medicine. Recent studies show an enhancement of water diffusion inside nano-channels depending on the size of the nano-confinement. However, the underlying mechanism of this enhancement is not well understood yet. In this study, we performed Molecular Dynamics (MD) simulations to study water flow inside CNT systems. The length of CNTs considered in this study is 20 nm, but their diameters vary from 1 to 10 nm. The simulations are conducted at temperatures ranging from 260 K to 320 K. We observe that water molecules are arranged into coaxial water tubular sheets. The number of these tubular sheets depends on the CNT size. Further analysis reveals that the diffusion of water molecules along the CNT axis deviates from the Arrhenius temperature dependence. The non-Arrhenius relationship results from a fragile liquid-like water component persisting at low temperatures with fragility higher than that of the bulk water.