分子模拟研究微孔材料对光气吸附扩散性能的影响及材料筛选

利用分子模拟的方法研究了微量光气(COCl₂)在微孔材料中的吸附和扩散性能, 并分析了材料结构的影响. 结果表明, 光气在金属有机框架材料(MOF)和共价有机框架材料(COF)中的吸附等温线主要表现为第Ⅰ类型和第Ⅴ类型吸附. 当光气压力较低时, COF材料和含有开放金属位点的材料对其吸附性能较好. 通过对不同压力下吸附量的比较发现, 吸附达到饱和前, 随着压力和孔隙率(VF)的升高, 材料对光气的吸附量增大. 通过分子动力学模拟研究光气在微孔材料中的扩散性能发现, 较强吸附位点的存在不利于光气在孔道中的扩散. 通过气体分子在材料中的径向函数分布图及模拟轨迹分析发现, 分子协同效应和空间位阻效应相互竞争决定了扩散速率的快慢. 综合评价材料的吸附和扩散性能发现, COF-102, COF-300, ZnMOF-74, Zn-DOBDC和PCN-60是理想的吸附材料, 这些材料可以应用于环境中光气泄漏的防治.     

氧气在聚丙烯内吸附和扩散的分子模拟

采用巨正则Monte Carlo和分子动力学模拟相结合的方法研究了氧气在不同聚合度的聚丙烯内的吸附和扩散. 模拟结果表明, 随聚丙烯聚合度的增加, 聚丙烯对氧气的吸附量逐渐增加, 而氧气在聚丙烯内的扩散系数减小; 当聚合度增大到一定程度时, 吸附量和扩散系数都趋于一稳定值. 随温度的升高, 氧气在聚丙烯内的吸附量减少, 而扩散系数增大. 本文还应用自由体积理论探讨了氧气在聚合物内扩散的机理, 发现氧气在聚丙烯内以空穴形式存在的自由体积之间扩散, 即氧气先在一个空穴内不停振动, 然后通过聚丙烯链段运动形成的通道跳跃到下一个空穴来完成扩散. 结果表明, 较高聚合度的聚合物材料在常温及低温下使用对于其在食品包装材料中的应用是有利的, 这为食品包装材料行业相关产品的应用开发提供了一定的指导和依据.     

腐蚀介质在缓蚀剂膜中扩散行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,从缓蚀剂膜阻碍腐蚀介质粒子(H2O、H3O+和HCO3-)向金属表面扩散的角度,研究了4种1-R1-2-十一烷基-咪唑啉缓蚀剂(R1:羧甲基(A),羟乙基(B),氨乙基(C),氢(D))抑制碳钢CO2腐蚀的缓蚀机理,并对其缓蚀性能进行了理论评价.腐蚀介质粒子在不同缓蚀剂膜中的扩散系数、粒子与膜的相互作用能以及膜的自扩散性能的计算结果表明:4种缓蚀剂均可形成稳定的缓蚀剂膜,能有效阻碍腐蚀介质粒子向金属表面的扩散,达到抑制或延缓腐蚀的目的;随亲水支链(R1)极性的增加,缓蚀剂膜对腐蚀介质粒子扩散行为的抑制能力逐渐增强;同种缓蚀剂膜对正负离子H3O+和HCO3-比对中性的H2O分子具有更强的扩散抑制能力.综合计算及分析结果,4种缓蚀剂缓蚀性能的理论评价结果为ABCD,与文献实验结果吻合.     

水和醇类分子及其混合物在纳米孔道材料中的传输扩散

随着计算机科学技术的飞速发展,理论计算特别是分子动力学模拟技术在研究受限流体的性质时发挥着独特的作用.本文综述了近年来水和醇类分子及其混合物在纳米孔道材料中传输扩散的研究进展,包括单组分水、甲醇和乙醇等在多种纳米孔道材料中的传输扩散,以及甲醇/水和乙醇/水等混合物在碳纳米管和沸石膜中的吸附和分离,讨论了体系温度、分子浓度以及纳米孔道材料结构等因素对水和醇类分子传输扩散过程的影响.     

气体在无定型聚异戊二烯中扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了多个温度下氧气、氮气及甲烷在无定型顺式1,4-聚异戊二烯中的扩散系数。在模拟过程中,使用COMPASS力场作为分子力场。应用COMPASS力场的势能函数,聚合物的密度及玻璃化转变温度的计算结果与实验值有较好吻合。在278-378 K的温度范围内,通过3或1.5 ns时长的正则系综动力学模拟,计算了不同温度下氧气、氮气及甲烷的扩散系数。结果表明,根据爱因斯坦关系式计算得到的扩散系数与实验结果比较接近。对气体扩散系数与温度的关系进一步研究,发现在278-378 K温度范围内,甲烷的扩散系数随温度变化的半对数曲线图是非线性的,而氧气和氮气的扩散系数随温度变化的半对数曲线图是线性的。本文研究结果有助于理解温度对气体扩散的影响机制,并为高温下气体在天然橡胶中扩散系数的测定及天然橡胶热氧老化建模分析提供依据。     

类蛋白质分子扩散系数的模拟计算

蛋白质分子是一类比较特殊的高分子,一方面它的性质与氨基酸序列密切相关,另一方面其二级结构（如α螺旋以及β折叠等）极大地影响着它的性质．另外它的内部结构又非常紧密,与一般的高分子链完全不同．同时随着计算机技术的发展,计算机模拟日益作为一种有效的手段广泛应用于高分子科学的研究．但是由于蛋白质分子比一般的高分子结构更加复杂,如氨基酸之间有复杂的互相作用等,因此对蛋白质性质的研究往往建立在简化模型的基础上,如基于格点的HP紧密高分子模型等．虽然建立在格点模型上的蛋白质分子和真实的蛋白质分子存在着一定的差异,但基本上能体现蛋白质分子的主要特征,因此把这一类分子称为类蛋白质分子．     

受限于纳米碳管中的乙醇分子的结构和扩散的分子模拟研究

利用分子模拟研究了常温常压下受限于(8,8) (管径1.081 nm)和(15,15) (管径 2.035 nm)单壁纳米碳管中的乙醇分子. 对受限分子的径向密度分布和氢键等静态性质以及扩散性质进行了分析. 结果显示在管内乙醇分子的平均氢键数目和主体相一致. 乙醇分子在(8,8)碳管内具有高度有序的结构, 而在(15,15)碳管内由于空间的增大导致结构有序度的降低, 其中分子取向已呈随机分布. 进一步对扩散系数的分析发现, 在管内乙醇分子的轴向扩散系数低于主体相, 特别在(8,8)碳管内乙醇分子几乎丧失了轴向扩散能力.     

聚乙烯单链松驰过程的分子模拟

利用分子模拟方法研究了不同链长聚乙烯单链折叠过程和相关的松弛和坍塌机理．发现在链长短于１０００ＣＨ２单元时,聚乙烯的链段主要通过整体塌缩机理进行折叠和取向;而链长超过１０００ＣＨ２单元时,可以明显地观察到局部取向团簇的形成,聚乙烯单链通过局部塌缩机理进行折叠和取向．通过对各阶段团簇数目,体系取向链段长度的表征,说明体系在模拟时间范围内表现了很强的松驰特性．     

计算机分子模拟在分子印迹技术中的应用

传统的分子印迹技术对模板分子、功能单体、交联剂、致孔剂等的筛选往往依靠经验,常通过反复实验对合成条件进行优化,存在实验周期长、耗材量大等问题。计算机分子模拟技术的应用在实验过程中起到可预见性指导作用,可以实现精准识别位点的裁制、识别驱动力的设计,通过结合能等物化特征参数计算优化识别体系的稳定性,从而合理选择模板分子、功能单体、交联剂、致孔剂,优化聚合条件,以提高聚合物识别特异性和亲和力,缩短实验周期,更符合绿色化学的理念。本文简单介绍了计算机分子模拟技术,重点对其在分子印迹技术中的指导作用进行了综述,并对其在分子印迹技术中的应用进行了展望。     

硅表面上构筑烷烃单层膜的分子模拟

用分子力学方法模拟了十二烷烃在硅表面的单层膜的排列情况. 从中发现: 十二烷烃在硅表面的覆盖率约为50%, (8×8)大小的模拟格子即可描述烷烃链在硅表面的空间排列. 同时讨论了不同取代方式对单层膜的影响, 并比较了酯基和甲基终止的硅表面单层膜的空间排列方式, 模拟结果与实验测量基本吻合. 结果表明: 分子模拟方法可以作为实验手段的一种辅助工具, 在分子水平上为实验提供理论支持和微观信息.     

新型聚(酰胺-脲-酰亚胺)反渗透复合膜的稳定性

通过二次界面聚合法制备了一种新型的聚(酰胺-脲-酰亚胺)反渗透复合膜.将常规二元胺——间苯二胺(MPD)与关键功能单体5-异氰酸酯基-异肽酰氯(ICIC)通过界面聚合得到MPD-ICIC初生态基膜,再与关键功能单体N,N'-二甲基间苯二胺(DMMPD)经二次界面聚合制得聚(酰胺-脲-酰亚胺)反渗透复合膜.采用傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析膜活性层的化学结构,评价膜的分离性能,在此基础上采用分子动力学模拟方法从微观角度分析二次聚合膜的稳定性.     

Studies on the Diisocyanate-Modified Polyvinyl Alcohol Reverse Osmosis Membranes

The hydroxyl group in polyvinyl alcohol (PVA) membranes had been partially reacted with diisocyanates such as 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI) or the prepolymers containing different functional groups. The transport properties toward water and salt and the stress-strain properties of these modified membranes were investigated. The results showed an improvement in salt rejection and a considerable increase in the wet strength of the modified membrane. The water absorption and permeabilities of these modified membranes depended largely upon the functional groups introduced into them.     

等离子体聚合及其聚合物的应用

本文着重综述了烃,含氮、氧的有机化合物,碳氟化合物以及有机硅化合物的等离子体聚合。同时还系统地介绍了等离子体聚合物在制备反渗透膜、分离膜、材料表面的涂层等方面的国内外的最新研究成果。     

正渗透过程中纳米碳管膜的盐水通道行为

以纳米碳管(CNT)仿生构筑正渗透(FO)膜, 采用分子动力学模拟的方法考察水和盐在由CNT(6,6)、CNT(7,7)、CNT(8,8)、CNT(9,9)、CNT(10,10)、CNT(11,11)等不同尺寸纳米碳管构筑膜中, 于2.5、3.75、5.0mol·L^-1等不同汲取液浓度下的传递行为. 纳秒级的模拟得到水分子在不同尺寸纳米碳管膜内的分布, 水通量的变化以及盐截留等情况. 模拟结果表明, 由CNT(8,8)构筑的正渗透膜表现出优异的通水阻盐性能.     

直径大于2nm的(15, 15)碳纳米管的仿生生物改性及其脱盐行为的分子模拟

模仿水通道蛋白结构在直径大于2 nm的(15, 15)的碳纳米管内壁添加不同数量的―NH₃⁺和―COO^-,并结合端口改性建立连续的碳纳米管膜模型,利用分子动力学模拟方法研究了水以及Na⁺和Cl^-在碳纳米管中的通量、密度分布和离子进入碳纳米管的平均力势。结果表明,在200 MPa压力下,对碳纳米管进行内壁和端口改性可以在保持较高水通量基础上显著提高碳纳米管的截盐作用。当在(15, 15)碳纳米管内壁添加5对―COO^-和―NH₃⁺基团或内壁添加4对―COO^-和―NH₃⁺且端口添加1对时, Cl^-截盐率可达到100%, Na⁺的截盐率达到88%。改性(15, 15)碳纳米管的最小水通量仍是未改性(8, 8)碳纳米管的4.6倍。     

反渗透过程中双壁碳纳米管通水阻盐性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 探究了非常规双壁碳纳米管(DWCNT)在反渗透过程中, 不同内外管间距对管道内水分子与盐离子运动行为的影响. 本文采用0.5 mol·L^-1氯化钠水溶液模拟海水, 内管始终采用CNT(8,8)型, 并对盐水层施加恒力模拟反渗透压. 重点考察盐离子数量分布与通水情况, 计算水分子平均力势, 并分析水分子氢键寿命与偶极矩分布. 结果表明, 管间距不仅影响上述各项性质, 还会改变盐离子与水分子在碳管中的渗透特性. 模拟结果显示, 小尺寸DWCNT可以有效实现盐水分离但水通量较小, 大尺寸DWCNT的水容量较大但阻盐效率不高, 而中尺寸DWCNT (即: 管间距为0.815 nm)则具有最佳的通水阻盐性能. 本文试图从分子层面揭示了DWCNT通水阻盐机理, 并为人们设计新型海水淡化渗透膜提供理论指导.