单分子层受限冰-水共存界线毛细波与固-液相变动力学

冰-水界面动力学性质在冰形核、生长、表界面熔化中扮演核心角色, 长期以来一直被广泛关注. 然而, 受限水体系中冰-水界面的动力学性质却鲜有报道. 本工作利用平衡态分子动力学模拟方法和受限固-液两相平衡模拟技术, 对两种水模型(恒定偶极矩、可极化)描述的单分子层受限冰-水两相平衡体系中的一维固-液界线开展研究. 通过对一维受限冰-水界线的追踪, 计算了其热涨落波动的振幅与时间自关联函数色散谱, 进而计算一系列固-液界线动力学性质. 冰-水界线波动在短波长区域复合了快、慢两种不同时间尺度的弛豫过程, 在长波长区域则由慢弛豫过程主导. 相比块体冰-水界面体系, 以Rayleigh波为主的高频微观物理过程更多地参与了一维冰-水界线的动力学弛豫. 我们发现冰-水界线波动弛豫特征衰减时间的波矢依赖关系符合现有固-液界面动力学理论, 但一维界线弛豫的特征衰减时间比二维界面体系低了一个数量级左右. 计算了两种水模型体系冰-水界线的动力学系数, 并与块体冰-水界面比较, 发现受限冰-水(固-液)界线动力学系数远高于块体冰-水界面体系. 我们推测水分子转动自由度在受限腔中被强烈压制可能是导致受限体系超快冰-水(固-液)相变速率的主要原因. 本工作将在受限水体系超快相变(储能、传感)器件的设计工作中提供一定的理论指导意义.     

应用极化水分子模型研究单分子层受限水的介电性质

受限条件下水的介电性质因测量极具挑战,其在诸多电化学过程与反应输运过程中如何扮演关键角色从未被定量地澄清.本工作利用平衡态分子动力学模拟和受限体系介电性质计算方法,系统性地探索了0.65 nm限域尺寸、5×10⁸ Pa限域压强、不同温度条件下单分子受限冰和受限水的介电性质.详细比较了恒定偶极矩SPC/E水分子模型和可极化的SWM4-NDP水分子模型在描述受限冰、水结构与介电性质上的优劣势,包括统计分析SWM4-NDP模型模拟的单分子层受限水和受限冰的瞬时分子偶极矩概率密度分布,计算每个模拟体系的静态结构因子、静态偶极空间关联函数、静态介电常数、体系偶极时间关联函数和德拜弛豫时间.首次发现了极化水分子模型描述的低维度受限水和受限冰的奇异分子极性变化,并观察到两种模型描述静态结构性质的效果相当,SWM4-NDP模型对于静态介电常数描述的优势会因受限条件的增强而被大幅削减.但在受限水介电极化弛豫动力学性质描述上SWM4-NDP模型明显优于SPC/E模型.我们推断SWM4-NDP模型在探索受限水结构相变动力学以及受限体系离子输运和溶剂化动力学等过程的模拟研究中是比SPC/E模型更好的选择.本工作将在进一步开展基于受限水系统储能、传感、输运的设计工作中提供一定的理论指导意义.     

受限于纳米狭缝中的四缔合Lennard-Lones流体的相平衡和界面张力研究

分别用改进的基础测量理论和平均球近似理论表达短程作用和长程作用对四缔合Lennard-Jones流体的过剩自由能的贡献. 在密度函泛理论的框架下, 研究了平均密度等温线, 密度分布, 未缔合分子在平衡汽相和液相中的分布, 相平衡以及平衡时的界面张力等热力学性质. 分析了缔合能量, 流体-固体作用和孔宽对受限于纳米狭缝中的四缔合Lennard-Jones流体相行为的影响.     

高分子界面聚合动力学模拟研究进展

界面聚合是制备功能聚合物材料的重要手段,其产物的结构和性能与界面厚度及其化学特性、聚合速率、扩散速率等多种热力学和动力学因素有关.实验受限于表征手段,对理解界面聚合的动力学机理仍有很大难度.计算机模拟可以站在微观视角研究这一过程,是明确界面聚合产物结构与性质影响因素的有力工具.本文以我们课题组近年来的工作为主线,对当前在界面聚合模拟研究领域所取得的系统和创新性成果进行总结和评述.从界面聚合模拟方法的发展、固-液相界面聚合体系以及液-液相界面聚合体系3个方面进行介绍,为相关功能聚合物材料的理性设计和精准调控提供新的思路.     

电场作用下水表面电势的分子动力学研究

水表面电势在诸多电化学过程与反应中扮演关键角色, 然而实验上直接测量却极具挑战. 本论文提出一套基于平衡态恒定电势分子动力学的模拟-分析-计算方法, 可实现通过保持恒定电势且伴随电荷涨落的电极板将电场作用于附近的水表面, 并以平均探针电势计算方法精确测量空间电势分布. 凭借此套方法, 首次计算了不同电极电势下水表面区域的空间电势分布函数, 并测得了鲜有报道的水表面电势随外电场的变化关系. 发现了阴极附近水的表面电势随外电场增强而降低而阳极附近水的表面电势随外电场增强而增大的非对称性. 同时计算了平衡态水表面分子数密度和偶极矩极化密度分布函数, 展示出逐渐增强的外电场能够强烈改变水表面区域的极化行为也能够使液体水整体微弱的极化. 论文最后提出水表面电势随电场变化的非对称性源自水表面极化行为的非对称性以及液体区域的整体极化.     

多元气-液-固复杂体系相平衡

石油流体中含有气相、液相及可能遇到的固相包括水合物、石蜡和沥青质等,涉及多元气-液-固复杂体系的相平衡问题.为防止这些沉积物堵塞造成安全隐患,需要确定水合物、石蜡、沥青质沉积起始条件以及沉积量.本文针对化学热力学理论在含水合物、石蜡和沥青质的多元-多相平衡研究中的应用进行了综述.水合物相平衡模型较为成熟,主要有两类,其一为基于等温吸附理论的van der Waals-Platteeuw型热力学模型;其二为基于双过程水合物生成机理的Chen-Guo水合物热力学模型.石蜡沉积一般采用活度系数法、状态方程法及多固相模型描述.沥青质絮凝、沉积则可采用溶解度参数模型、状态方程法、胶体模型和标度理论模型进行计算.同时对多元气-液-固复杂体系的相平衡研究发展方向进行了展望.     

液/液界面电化学及其进展

液/液界面电化学及电分析化学与研究萃取和化学传感机理、相转移催化、药物释放、模拟生物膜等密切相关,近年来备受到关注. 文中结合作者课题组工作,介绍、综述该领域近十几年、尤其在液/液界面微观结构、电荷（离子与电子）转移反应及界面功能化的新进展.     

固-水界面的酸碱催化反应中水分子和溶剂化离子的角色（英文）

固体和水所形成的界面在各类化学和生物体系中非常常见,围绕相关物化现象的研究也一直是界面科学的前沿热点.然而,多相催化研究中对固-液界面发生的催化转化过程背后的微观机制的认识依旧十分有限,再加上水的诸多特殊理化性质,理解固-水界面的多相催化反应极具挑战性.本综述针对三类代表性的酸碱催化反应(醇类脱水、羟醛缩合和糖类异构),总结了一系列水(包括水分子本身、溶于其中的离子和由水衍生而来的其他物种)在这些体系中对表界面催化行为、反应机理和构效关系的常见影响方式,并批判性地归纳了业已提出的分子层面的观点和解释.当水的化学势较高(液态水或者水分压较大)时,其通常会抑制固体酸碱表面的催化反应,原因可以归结为:水分子在表面活性位上的竞争吸附、对活性位酸碱强度的削弱和对中间物种的溶剂化稳定作用(从而提高活化自由能能垒).水的存在也可造成活性位性质发生变化(例如活性较低的Lewis酸向活性更高的Br?nsted酸转化),或直接/间接开辟新的反应路径,从而提高催化反应速率.此外,最新研究还揭示了活性位和表面反应物种(包括过渡态)溶剂化过程中许多重要的微观现象,包括:水在限域孔道内形成团簇结构和横跨活性位的溶...     

阴离子表面活性剂在水/正烷烃界面的分子动力学模拟(英文)

利用分子动力学模拟方法研究了阴离子表面活性剂在水/正烷烃(壬烷,癸烷和十一碳烷)界面的结构和动力学特点.十六烷基苯磺酸钠作为研究对象,其中苯磺酸基团在十六碳烷的第4号碳原子上,记作4-C16.分析了不同油相和特定盐度条件下正烷烃-表面活性剂-水体系的界面特点(如密度剖面图、界面张力和径向分布函数).模拟结果表明平衡模型体系展现了一个很好的水/正烷烃界面.当加氯化钠到水溶液中,正烷烃-表面活性剂-水体系的界面张力有微小的变化,有趣的是表面活性剂二面角的反式结构分数的变化联系着界面张力的微小变化.可见,表面活性剂在界面处的结构对降低界面张力起到重要的作用.此外,还发现表面活性剂的极性头与钠离子和水分子存在较强的相互作用.     

氢氧化钙粉末界面张力的测定

以Washburn方程为理论依据,采用毛细管上升法,设计了简易实验装置,测定了氢氧化钙粉末在水、二甲基亚砜和甘油中的润湿接触角.在此实验结果基础上,利用Y-G-G-F-V方程建立了计算固相表面张力和液-固界面张力的表达式,并分别计算出氢氧化钙粉末的表面张力、氢氧化钙与水、二甲基亚砜和甘油的液-固界面张力,为固体粉末的表...     

Relaxation phenomena in monoglyceride films at the air–water interface

Monoglycerides are the most commonly used surfactants in the food industry in traditional food, low-fat products and instant foods. In this work we are essentially concerned with the study of the stability in monoglyceride monolayers (monopalmitin, monoolein and monolaurin) as a function of surface pressure (10 and 20 mN.m⁻¹) and aqueous phase pH (pH 5 and 7). Monolayer stability was determined in an automated Langmuir-type film balance at constant temperature (20 and 40°C). The rate of monolayer molecular loss increases with surface pressure, and is pH dependent. Molecular loss at the interface also depends on the lipid. In the discussion, special attention will be given to the effect of the hydrocarbon chain length and the presence of a double bond in the hydrocarbon chain. Monopalmitin monolayers are more stable than those of monoolein and monolaurin. Maximum instability was observed with monolaurin monolayers. Two kinds of experiment have been performed to analyse relaxation mechanisms. In one, the surface pressure is kept constant, and the area is measured as a function of time. In the second, the area is kept constant at monolayer collapse and the surface pressure decreases. This decrease is measured as a function of time. Various relaxation mechanisms, including monolayer molecular loss by dissolution and/or collapse, can be fitted to the results derived from these experiments.     

Investigation of "on water" conditions using a biphasic fluidic platform

Converting the DEAD: A fluidic approach to generate precisely defined water-oil interfaces was used to quantify the influence of the water surface (blue drops) on chemical reactions between quadricyclane or β-pinene and diethyl azodicarboxylate (DEAD). This method allows for easy investigation of the "on water" effect.     

固液界面纳米气泡研究

固液界面纳米气泡是近十年来表面科学的重要发现之一。从利用原子力显微镜(AFM)在固液界面上观察到纳米气泡以来,科学工作者们已经证实了纳米气泡在固液界面上存在。由于其在微机电系统(MEMS)、微生化系统、表面科学、流体动力学等领域潜在的应用价值,各国学者们对纳米气泡的自身性质及影响因素已经开展了多方面的研究。但纳米气泡稳定性(反常的长寿)的原因仍然是未解决的问题之一。本文综述了纳米气泡的形成及影响因素,重点评述了纳米气泡稳定性理论,包括线张力理论、动态平衡理论、杂质理论和克努森气体理论等。同时,介绍了固液界面纳米气泡的应用,并展望了未来研究的重点和方向。     

不同水煤浆分散剂与煤之间的相互作用规律研究: Ⅺ 分散剂改性煤粒的界面性质及其对CWS性质的影响

测定了10种分散剂与14种煤所形成分散体系的Zeta电位，研究了分散剂对改性煤粒界面电化学性质的影响。结果表明，煤的变质程度越低、溶出高价离子越多，分散剂改性煤粒的Zeta电位越低。阴离子分散剂亲水基团的数量和所带电荷越多，改性煤粒的Zeta电位越高。非离子分散剂使改性煤粒的Zeta电位降低。阴离子分散剂改性的煤粒，Zeta电位大小能很大程度反映煤粒的亲水性强弱，很多阴离子分散剂改性煤粒的Zeta电位都与其吸水量成正相关。建立了包括煤自身亲水性（Mad）、分散剂亲水改性程度（△MHC）, 以及Zeta电位（ζ）和分散剂在单位煤表面积上的吸附量（Γs）在内的成浆性经验模型：CFV = 76.62 1.896Mad 3.430△MHC+0.489Γs·ζ。该模型的计算值与实验结果很相近，而且还能反应出各变量对煤的成浆性所产生的影响。     

固液界面纳米气泡的研究进展

根据经典热力学理论,在水中纳米级的气泡难以长期稳定存在.近年来却有大量的实验结果表明固液界面存在纳米气泡,原子力显微镜也直接观察到了纳米气泡.有关纳米气泡的研究具有巨大的理论和实际意义,它对表面科学、流体动力学、生物科学以及一些应用领域都有深远的影响.纳米气泡会引起流体在界面的滑移,减少流动阻力,并与表面粘附、胶体分散、矿石浮选、废渣处理等方面密切相关.目前关于纳米气泡的研究才刚刚开始,对于它的基本物化性质的了解还不多,但其重要性已经引起相关领域的极大关注.本文综述了从提出纳米气泡存在一直到实验证明的过程、纳米气泡的形成机制和形貌、分布特征等基本性质以及纳米气泡的存在对疏水长程作用和流体滑移的影响,并阐述了生物学中一些与纳米气泡存在有关的问题.     

Effects of Amplitude of the Radiofrequency Electromagnetic Radiation on Aqueous Suspensions and Solutions

The effects of radiofrequency (RF) (1–4) and magnetic fields (5–9) on the behavior of aqueous solutions and suspensions have been a popular subject in recent years. The mechanism of the magnetic “water memory” effect, though, is still largely unknown (5). In this work, we present evidence that the primary “receptor” of the electromagnetic radiation is a gas/liquid interface. Gas can be either already present in water or produced by the effects of electromagnetic fields. Perturbed gas/liquid interfaces require hours to equilibrate. Certain RF and magnetic signals also produce reactive oxygen and hydrogen species (superoxide, hydrogen peroxide, hydrogen, atomic hydrogen). The perturbed gas/liquid interface modifies the hydrogen bonding networks in water and also the hydration of ions and interfaces. Careful outgassing removes all of the effects of the electromagnetic fields, including the magnetic memory effect. The amplitude of the applied field influences the observed effects. Different amplitudes of RF radiation perturb the interfacial water in different ways and consequently affect the behavior of colloids and ions in specific manners. For instance, the bulk and template precipitation of calcium carbonate, zeta potentials of suspended colloids, rate of dissolution of colloidal silica, and attachment of colloidal silica to metal surfaces are modified in specific ways with the low amplitude or high amplitude RF treatments described in this paper. The solubility/diffusivity of gas species is also modified in a different manner, and it is probably at the core of the specificity of the RF amplitude effects.     

Edelfosine—A new antineoplastic drug based on a phospholipid-like structure: The Langmuir monolayer study

Edelfosine (1-O-octadecyl-2-O-methyl-rac-glycero-3-phosphocholine, Et-18-OCH₃), an anticancer drug based on a phospholipid-like structure, was spread and investigated at the aqueous solution/air interface by means of surface pressure–area (π–A) and electric surface potential–area (ΔV–A) isotherms in addition to Brewster angle microscopy (BAM). The influence of such factors as subphase temperature, ionic strength, speed of compression and number of molecules spread at the surface on the characteristics of the π–A isotherms was studied. Edelfosine was found to form stable Langmuir monolayers which are nearly not influenced by the experimental conditions. The relative reflectivity measurements proved that the thickness of monolayer in the vicinity of collapse is 2.4 nm, which corresponds to length of a vertically oriented molecule. Perpendicular orientation of edelfosine molecules just before the film collapse has been confirmed with the apparent dipole moment value, which attains the maximum value in this region.     

表面活性剂溶液油水界面相平衡研究

以Butler方程为基础,导出了1组通用的界面相平衡计算方程。利用此方程计算了多个实际体系,结果令人满意。根据实验现象及计算结果,提出了一种多组分界面相物理模型并探讨了表面活性物质在油水界面上的相互作用规律,为乳状液、微乳状液等研究提供了有益的信息。     

双头基两亲分子在气液界面的Langmuir铺展膜结构

用表面压-面积等温线,原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）对两种具有不同取代位置的新型双头基两亲分子（bolaamphiphile）A和B在气液界面形成的Langmuir铺展膜的结构进行了研究,化合物1,20-二十碳二β-萘酯（B）在气液界面形成了拉伸型 Langmuir单分子膜,而化合物1,20-二十碳二α-萘酯（A）在气液界面则形成了具有三层分子厚度的二维结晶膜.     

Effects of additional salts on the interfacial tension of crude oil/zwitterionic gemini surfactant solutions

Zwitterionic gemini surfactants, which have the advantages of both zwitterionic and gemini surfactants, have been widely used in various disciplines. Sulfobetaine-type zwitterionic gemini surfactants consisting of 1,2-bis[N-methyl-N-(3-sulfopropyl)-alkylammonium]ethane (2C_nSb with 6, 8 and 10 carbon atoms) were evaluated for their interfacial activities at the water/crude oil interface. The 2C₁₀Sb molecules showed a remarkable ability to decrease the interface tension (IFT) of water/crude oil, and the degree of decrease was much greater than those in either zwitterionic or gemini surfactant systems by at least two orders of magnitude. Furthermore, the effects of salts (NaCl, CaCl₂, and MgCl₂) on the IFT of the 2C₁₀Sb system were thoroughly investigated. Interestingly, the delicate balance between the effects of additional cations and the intramolecular interactions of 2C₁₀Sb molecules played crucial roles in the interfacial arrangements of 2C₁₀Sb molecules, which were mainly dependent on the bonding abilities of the cations. Moreover, a zwitterionic surfactant and a cationic gemini surfactant were employed in control experiments to verify the proposed mechanisms.