聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低（约4 meV）,不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现：在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl₂和CaCl₂时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl,KBr,MgCl₂和CaCl₂这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。     

砷和砷酸铁水化结构和红外光谱理论研究

水体中砷的去除与其水化作用密切相关,而不同质子化砷和砷酸铁水化特征相关报道甚少,且缺乏不同质子化砷和砷酸铁水化层红外光谱解析。在B3LYP/6-311G(d, p)计算水平上比较不同质子化砷酸根[H_mAsO₄]m-3(m=0～2)和铁-砷酸盐络合物种[FeH_mAsO₄]m+(m=0-2)水化能,利用约化密度梯度函数图形化分析其与水分子相互作用的强度、类型和位置,并解析不同质子化砷酸根和砷酸铁水化层红外光谱特征。结果表明,随着氢质子化,砷酸根[H_mAsO₄]m-3(m=0～2)水化能力减弱,而铁-砷酸盐络合物种[FeH_mAsO₄]m+(m=0～2)水化能力随着氢质子化增强。当水分子中1个氢与[H_mAsO₄]m-3(m=0～2)中1个氧相互作用时倾向形成氢键;而水分子中2个氢同时分别与[H_mAsO₄]m-3(m=0～2)中两个氧相互作用时,相互作用变弱,以范德华力相互作用;水分子通过其氢与砷酸根中氧形成的氢键强于水分子通过其氧与质子化砷酸根中氢形成的氢键。未质子化O_N倾向与2~4个水分子形成氢键,而质子化O_P最多与2个水分子形成氢键且O_P…H_W氢键弱于O_N…H_W氢键。红外光谱中,2 954,3 114,3 179,3 252和3 297 cm-1是AsO3-₄第一水化层中水分子Ow-Hw伸缩振动峰,3 277,3 324和3 376 cm-1是HAsO2-₄第一水化层中水分子的Ow-Hw伸缩振动峰,3 189,3 277,3 306和3 383 cm-1是H₂AsO-₄第一水化层中水分子Ow-Hw伸缩振动峰;[FeH_mAsO₄]m+(m=0～2)第一水化层中水分子Ow-Hw伸缩振动对应区域依次是2 500~3 060,2 660~3 200和2 900~3 360 cm-1。因此,随质子化,[H_mAsO₄]m-3(m=0～2)和[FeH_mAsO₄]m+(m=0～2)第一水化层中水分子的Ow-Hw伸缩振动峰蓝移;相对于[H_mAsO₄]m-3(m=0～2),[FeH_mAsO₄]m+(m=0～2)第一水化层水分子的弯曲振动峰和伸缩振动峰都明显红移。[FeH_mAsO₄]m+(m=0～2)第一水壳层形成Fe-Ow-Hw…Ow-Hw…O_N-As氢键桥,该氢键桥中Ow-Hw具有特殊吸收峰,伸缩振动峰依次位于2 195,2 526和2 673 cm-1,质子化导致明显蓝移但峰强度几乎无变化;而其弯曲振动峰随质子化红移且强度明显降低;独立O_P-H伸缩振动峰不受Fe络合影响,而O_P-H…Ow中O_P-H伸缩振动峰位置因Fe络合而发生明显蓝移。该研究有助于更好地解析不同PH下砷和砷酸铁在水中溶解性,可用于红外光谱监测水溶液中砷和砷酸铁水化特征。     

碳纳米胶囊中水分子的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了不同温度下碳纳米胶囊中水分子及其氢键的聚集密度分布,讨论了水分子内部键角及其取向规律.计算结果表明,由于碳纳米胶囊的束缚作用,水分子主要聚集在与胶囊形状相似的三个薄层中,随着温度的升高,聚集密度峰均会展宽并向管壁移动.氢键的分布规律与水分子聚集密度类似并对其取向角分布有明显影响.与通常情况不同,在1000K高温时仍存在相当数量的氢键.在3100 K附近,碳纳米胶囊发生破裂,溢出少量水分子后自动愈合.     

聚酰亚胺薄膜的电致发光和光致发光

测量了氙灯辐照后聚酰亚胺(PI)薄膜的光致发光(PL)强度、PL谱和氙灯辐照后直流高电场下PI薄膜的电致发光(EL)强度、EL谱、XRD谱和吸收光谱,研究了其EL、PL特性与微观结构的关系.结果表明:PI薄膜的PL强度随测量时间呈指数衰减,EL强度随场强呈指数增长;辐照39 h后,PI的预击穿场强为2.56MV/cm,...     

限制在疏水板中的新的六边形-四边形三层冰结构 (cited: 1)

对限制在两个光滑的疏水板间的水进行了分子动力学模拟,观察到了两种晶体结构,都满足冰规则. 在1 GPa的压强和1.0 nm的板间距下获得的新的冰相是平坦的六边形-四边形三层冰. 在此结构中,靠近板的两层(外层)中的水分子形成六边形环,中间层的水分子形成四边形环. 对于外层的水分子,其四个氢键中的三个在同一层中,另一个氢键与中间层连接. 对于中间层的水分子,四个氢键中的两个在同一层中,而另外两个氢键与两个不同的外层相连. 虽然三层的形状不同,但其面密度却接近相等. 另一种结构是在0.8 nm的板间距和100     

抗冻蛋白与细胞色素蛋白P450水合层重定向动力学的比较分析

抗冻蛋白抑制冰结晶的机制仍不清晰. 例如，抗冻蛋白的水合水动力学及其与抗冻活性之间的关系尚无定论. 本文通过理论模拟，比较研究了来自云杉蚜虫的抗冻蛋白和细胞色素蛋白P450第一水合层中的水分子重定向动力学. 氢键供体水分子周围潜在受体水分子数量的增加导致水分子之间氢键交换的加速. 因此，抗冻蛋白抗冻活性区周围水分子的跳跃重定向动力学加速. 由于氢键交换的相互耦合和激发，随着氢键交换的加速，整个氢键网络的重排和水分子的框架重定向也被加速. 因此，抗冻蛋白的水分子重定向动力学比细胞色素蛋白P450更快. 本研究为理解抗冻蛋白提供了新的物理图像，并对抗冻蛋白的抗冻机理有了新的认识.     

等容条件下H2O-CO2-CH4混合流体的高温拉曼光谱就位分析

 以合成包裹体作为腔体，用显微激光拉曼探针就位分析了H₂O-CO₂-CH₄混合流体的高温特性。研究结果表明，在高温下，CH₄和CO₂相互之间对各自拉曼光谱的影响不大，水分子对它们的拉曼峰有比较大的影响。在等容条件下，流体均一前，随着温度的升高，水分子的氢键几乎呈线性减少，均一为气相的流体，水分子伸缩振动拉曼峰的变化与一般气体变化相似；随着温度升高，体系压力的增加，最大峰频率呈很微小的降低趋势。均一为液相的流体中的水分子，在均一温度时，氢键变化发生了转折，均一后流体中水分子的氢键受温度的影响比均一前明显要小，在测量的最高温度520 ℃，水分子存在着一定的氢键作用。一直到拉曼光谱测量的最高温度580 ℃还未均一的流体，液相中水分子存在比较强的氢键作用。     

变温过程中二甲基亚砜与水之间氢键行为的拉曼光谱研究

测量了在降温过程中体积比为1∶1的二甲基亚砜(DMSO)水溶液的拉曼光谱,并对DMSO水溶液的拉曼光谱进行了归属。对实验数据进行分析发现: 在降温过程中DMSO分子与水分子的分子间氢键、DMSO分子与DMSO分子和水分子与水分子间氢键的作用行为引起了DMSO的SO双键和水分子的O—H键的拉曼谱带的变化。进一步分析表明：在27～-30 ℃降温过程DMSO与水之间氢键加强,-30～-60 ℃降温过程水与水之间氢键代替DMSO与水之间的氢键。这为丰富水溶液的氢键理论提供了实验依据。     

描述人体内水分子扩散各向异性特征的新方法

通过核磁共振扩散张量成像(DTI)得到的特定值域的扩散各向异性指数(DAI) 可用于揭示水分子扩散椭球的形态学特征, 定量反映被成像物体内部水分子扩散的优势方向和强度, 间接得到被成像物体内部的组织结构信息. DAI的可靠性直接影响对DTI数据的分析和理解. 本文基于扩散张量椭球的几何学信息, 提出利用扩散椭球几何比(EGR)定量描述水分子扩散的各向异性程度. 通过蒙特卡罗模拟实验和对人脑DTI数据进行分析, 并与当前广泛应用的水分子扩散各向异性分数(FA)和近期文献提出的扩散椭球面积比(EAR)进行对比. 实验发现EGR在不同级别噪声影响下的对比度效果和抗噪性都优于FA及EAR. 而且EGR 加入了体积修正, 增强了盘形扩散张量情况下的敏感性, 能够更好地鉴别神经纤维束交叉情况, 对于各向异性扩散程度较高的白质深层和相对均质的表层都有较好的量化区分结果. 关键词： 扩散系数 各向异性扩散 扩散张量成像 扩散椭球几何比     

分子动力学模拟方解石和白云石润湿性

利用分子动力学模拟研究油水分子在方解石和白云石表面的吸附,分析体系的平衡构型、相对浓度、径向分布函数和吸附能,研究方解石和白云石的亲水性并对比二者差异.根据油水分子吸附规律分析方解石/白云石-油水体系作用机理.研究表明：白云石-油水体系更易达到热力学稳定状态并且体系更加稳定;方解石和白云石表面均能够优先吸附水分子并在表面形成双层结构的水膜.其中,白云石表面对水分子吸附强度大于方解石;稳定吸附过程分为两步：范德华力、静电力和O（CaCO₃,CaMg（CO₃）₂）-H（H₂O）氢键共同影响下水分子向晶体表面移动并吸附形成紧密吸附层;O（H₂O）-H（H₂O）氢键作用下游离的H₂O向晶体表面靠近形成扩散层.从分子尺度解释方解石/白云石亲水特性,为碳酸盐岩储层润湿性研究奠定理论基础.     

氯化铵水溶液的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,使用Material Studio软件中的COMPASSⅡ力场,模拟了温度为298 K时质量分数分别为1%、5%、10%、20%及28%的氯化铵溶液中离子的动力学性质.发现随着浓度增加,水分子周围不再有明显的第二配位圈,NH_4~+和Cl~-配位数都减少,离子水化数、水化半径也随之减小.水分子中的H比NH_4~+中的H对N_((NH4))的影响作用要强的多.在氯化铵水溶液,NH_4~+中的N及H都是由周围水分子中的氧原子来靠近,而Cl~-则由周围水分子中的氢原子去靠近. NH_4~+及Cl~-的加入确实破坏了溶液中的氢键,但是NH_4~+与水分子间也生成了新的氢键,并且生成的数量大于被破坏的数量,但是氢键力却变弱了,这是之前研究当中没有人提过的现象.随着浓度增大,H_2O、NH_4~+及Cl~-的扩散系数逐渐降低,而降低幅度排序为NH_4~+ Cl~- H_2O.     

非迭代冻结密度近似方法在计算氢键相互作用的合理性研究

为计算相互作用较弱的分子碎片之间的耦合能,Harris从密度泛函理论出发,提出了一种简化方法,即冻结密度近似(FDA)方法.对该方法在描述分子间氢键作用的合理性进行了验证.对水分子间的HO┉H氢键、甲酰胺与水分子间的NH┉O氢键、二氟甲烷和水分子间的OH┉F氢键,以及DNA中的碱基(AT,GC)之间的N—H┉O,N—H┉N等类型的氢键的计算表明:若电子交换关联采用非定域自旋密度近似,FDA的计算结果同其他abinitio方法的计算结果以及实验结果都符合得很好.FDA在计算过程中既不需要求解泊松方程,也不需要进行反复的自洽迭代,所以运算速度较快,在研究生物大分子体系中的氢键相互作用方面具有一定的使用价值 关键词： 冻结密度近似 氢键 密度泛函     

硅酸钠与乙烯基三乙氧基硅烷的二维相关近红外光谱分析

关于超疏水涂层的制备有许多研究,其中硅衍生物涂层是一个重点,然而硅衍生物形成机理的研究还鲜有报道。以硅酸钠和乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)作为硅衍生物的反应物,利用近红外光谱(near infrared, NIR)和二维相关分析(2D-correlation analysis, 2DCorr)方法探讨硅衍生物的反应机理。首先,采用德国Bruker公司的MPA型傅里叶近红外光谱仪采集样品的光谱信息,分析了17 Wt%硅酸钠、 97 Wt%VTES以及两者1:5摩尔比混合体系的分子结构变化特征,结果发现:混合体系在5 176~4 250 cm^-1范围内出现了Si-O-H和Si-O-Si基团的吸收峰,说明溶液中两者混合后发生了水解缩合反应;并发现10 262 cm^-1处的游离羟基减少并向低频方向偏移, 8 905 cm^-1处以氢键缔合的羟基增加;含氢键的醇从7 203 cm^-1偏移到6 846 cm^-1。将硅酸钠和VTES按照7种不同摩尔比混合并搅拌成溶胶凝胶状,采集这些样品的光谱信息,并且对吸收峰进行归属,结果发现:随着VTES的比例增加,游离羟基以及含氢键的醇减少,结合羟基增加,含硅基团也在增加。最后,对不同摩尔比的混合体系的光谱数据进行基线校正,运用软件Matlab 6.5计算基于摩尔比例扰动的二维相关光谱,提高近红外光谱的分辨率和分析不同官能团之间的变化顺序。结果发现:10 262 cm^-1处吸收峰的变化先于8 905 cm^-1处吸收峰的变化, 7 026(6 846) cm^-1处吸收峰的变化晚于5 859 cm^-1处吸收峰的变化, 5 264(5 176) cm^-1处吸收峰的变化晚于4 397 cm^-1处吸收峰的变化, 4 667 cm^-1处吸收峰的变化晚于4 397 cm^-1处吸收峰的变化。不同波数的吸收峰变化顺序对应其归属的官能团的变化顺序,进而揭示了近红外光谱中基团变化的原因。硅酸钠和VTES两种溶液混合后形成的溶胶凝胶是具有三维网状结构的硅-聚合物,这种聚合物具有疏水性质能被广泛应用。研究结果将有利于更深刻地理解硅酸钠和VTES混合体系水解缩合反应过程以及分子结构变化,为其进一步的研究和使用提供参考。     

氯化铵水溶液的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,使用Material Studio软件中的COMPASSⅡ力场,模拟了温度为298 K时质量分数分别为1%、5%、10%、20%及28%的氯化铵溶液中离子的动力学性质.发现随着浓度增加,水分子周围不再有明显的第二配位圈,NH_4~+和Cl~-配位数都减少,离子水化数、水化半径也随之减小.水分子中的H比NH_4~+中的H对N_((NH4))的影响作用要强的多.在氯化铵水溶液,NH_4~+中的N及H都是由周围水分子中的氧原子来靠近,而Cl~-则由周围水分子中的氢原子去靠近.NH_4~+及Cl-的加入确实破坏了溶液中的氢键,但是NH_4~+与水分子间也生成了新的氢键,并且生成的数量大于被破坏的数量,但是氢键力却变弱了,这是之前研究当中没有人提过的现象.随着浓度增大,H_2O、NH_4~+及Cl-的扩散系数逐渐降低,而降低幅度排序为NH_4~+ Cl~- H_2O.     

纳米MgO掺杂聚乙烯微观特性的分子动力学模拟研究

电力系统高压电缆的主要绝缘材料为聚乙烯,为了提升聚乙烯的热稳定性以及减弱水分对其的渗透能力,采用纳米MgO掺杂聚乙烯,利用分子动力学模拟方法建立包含低密度聚乙烯(LDPE)、不同颗粒半径的MgO纳米团簇以及相同质量分数水分的复合模拟模型.研究结果表明,水分会降低复合体系的玻璃化温度,MgO的掺杂则会提高复合体系的玻璃化温度,减弱聚乙烯分子链的运动并减小复合体系的自由体积,使得复合体系结构更加稳定,从而增强了聚乙烯材料的热稳定性能.此外发现水分子的扩散随着温度的上升而增大,纳米MgO的添加会与水分子形成氢键抑制水分子的扩散,同时自由体积的缩减使水分子的溶解度系数与扩散系数都减小,导致水分子的渗透能力减弱,更难以渗透进聚乙烯材料破坏其结构.研究结果可为聚乙烯的水树枝生长以及老化过程的抑制提供有益的参考.     

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法, 模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程, 研究了基底表面与水形成的界面氢键, 及其对受限水结构和动态特性行为的影响. 当基底表面硅醇固定时, 靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键, 这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面, 从而水分子的偶极矩远离表面. 当基底表面硅醇可动时, 靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键, 一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键, 数量较少, 另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键, 数量较多, 这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面, 从而水分子的偶极矩指向表面. 在相同几何间距下, 当基底表面硅醇可动时, 表面的活动性使得几何限制作用减弱, 导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显. 此外, 固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强, 数量较多, 导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.     

Simulation Study on the Structure and Dynamics of Water in Sodium Tetrafluoroborate/Water

应用分子动力学模拟方法研究了室温条件下四氟硼酸钠(NaBF₄)/水混合体系中水分子的微观结构、IR光谱以及转动动力学. 考察了混合物体系中水分子的摩尔分数浓度分别为6.25%、25.0%、50.0%、75.0%、90.0% 和99.6%时体系的结构和动力学性质. 研究显示在不同水分子含量的混合物中水分子以自由分子存在,随着混合物中水分子摩尔分数的增加,水分子的转动和弯曲振动带红移,而O-H伸缩振动蓝移,混合物中水分子内和分子间的氢键和非谐性相互作用增强,分子平动和转动变得困难和缓慢,研究结果与实验观测一致.     

Structures and Hydrogen Bonding Interactions in Urea-water System Studied by All-atom MD Simulation and Chemical Shifts in NMR Spectrum

采用分子动力学模拟方法结合核磁共振化学位移和粘度对尿素水溶液在稀浓度范围内的结构和弱相互作用进行研究. 从径向分布函数(RDF)分析看出,尿素水溶液中存在着几种不同类型、不同氢键形成能力的传统氢键. 氢键网络分析发现尿素水溶液体系在水富集区域,水分子倾向于自身缔合形成稳定的分子簇结构,而随着尿素浓度的逐渐增加,水的有序结构受到破坏,水分子和尿素分子发生了交叉缔合作用形成氢键,尿素分子有形成自身缔合的趋势. 分子动力学统计的平均氢键数与核磁共振化学位移和粘度数据结果进行比较,发现它们的变化趋势一致,证明了实验和理论结果有很强的可靠性.     

HIV-1蛋白酶的质子化状态

将分子动力学模拟和分子力学-泊松/波耳兹曼方法相结合,研究在HIV蛋白酶和抑制剂ABT-538的复合物中的不同质子化位置.结果表明：不同的质子化状态对蛋白酶的温度因子、蛋白酶和抑制剂的结合自由能及氢键都有很大影响.用分子力学-泊松/波耳兹曼方法计算显示：在B链中,25号天冬氨酸OD1氧原子被质子化的结合自由能最强,计算得到的温度因子和实验值比较吻合.另外,由氢键分析看出：在此质子化状态中,药物和蛋白酶、药物和W301水分子、W301水分子和蛋白酶形成的氢键在整个动力学模拟过程中最稳定.