电解质溶液的分子热力学模型研究进展

"本文从经典溶液理论及半经验模型、近代统计力学理论和分子模拟三大方面阐述了近年来国内外电解质溶液热力学的研究进展。指出电解质溶液的研究已逐渐从经典的溶液理论和半经验模型转向用统计力学理论进行研究, 从电解质的原始模型转向非原始模型。从分子和离子的微观参数出发建立高水平的热力学理论模型, 以预测电解质溶液体系的宏观热力学性质, 是发展的必然趋势。     

铆接于固体表面的两性聚电解质链构象的分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究了铆接于带电固体壁面上的两性无规共聚电解质链的构型及其随溶剂的介电常数、系统温度和带电壁面电场的变化。结果表明,聚离子链的构型取决于外电场对链节的作用、链内各链节间的静电作用和链节的热运动(温度)三者的综合作用结果。电场强度较低时,铆接聚离子链与非铆接聚离子链的构型变化类似。电场强度较高时,两性聚离子链构型更为舒展。溶剂介电常数减小,链节间静电作用增强,净电荷比较小的中性或非中性两性聚电解质链倾向于收缩,净电荷比较多的链则膨胀。温度的升高一般总是抵消电场和分子内静电作用的影响,当它占主导地位时将使聚离子链膨胀。     

聚电解质溶液的表界面热力学性质研究进展

聚电解质的表界面行为调控(如表面吸附和黏附)在黏合剂设计、胶体稳定/聚沉、海水淡化和生物医药材料研发等多个领域发挥着举足轻重的作用.聚电解质的浓度、刚性、序列结构、盐浓度和表面性质等可设计参数显著影响着聚电解质的表界面微观结构,进而决定聚电解质溶液的表界面热力学性质.为了加速高性能聚电解质材料的发展,利用理论方法(如自洽场理论和密度泛函理论等)和计算机模拟(如蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟等)等手段开展高通量、系统性的研究是非常必要的.本文总结了近年来聚电解质溶液的表界面热力学性质的相关理论和模拟研究进展,同时也对该领域未来的发展趋势进行了总结与展望.     

无盐聚电解质溶液的分子热力学模型

聚电解质在水处理和胶体领域应用广泛 ,在生物系统中 ,蛋白质和 DNA等均是聚电解质 .文献中已发表了不少聚电解质溶液的理论和模型 ,如基于柱型胞腔模型的 Poison- Boltzmann( PB)方程理论[1]及其改进型 ( MPB) [2 ] 、Manning反离子凝聚理论 [3 ] 、积分方程理论 [4] 及适合于工程应用的半经验模型 [5 ]等 ,但离工程实际应用的要求还相差较远 .最近 ,姜建文等 [6]建立的分子热力学模型 ,其预测结果与 MD模拟数据非常吻合 .本文在此基础上进一步考虑聚离子与反离子间的缔合作用 ,可以在中高浓度范围内很好地关联实验数据 .1　模　　型…     

电解质溶液界面结构的分子动力学模拟研究

电解质溶液界面结构的研究不仅具有重要的理论意义, 而且具有一定的实用价值. 采用分子动力学模拟研究了LiCl, LiBr, LiI, NaI, KI, CsI水溶液中阴阳离子在1×105 Pa和300 K下的气液界面分布情况, 探讨离子水化与电解质溶液界面结构的关系, 并分析阳离子水化能力的强弱对共存阴离子在界面富集分布的影响. 通过对模拟结果的分析发现, 离子的水化能力越强, 就越能形成稳定的水化结构而处于本体相中, 水化能力越弱, 则越易在界面富集. 该机理合理地解释了离子在界面的分布现象, 阳离子水化能力一般较其共存阴离子强而处于本体相, 阴离子则趋向在界面处富集; 不同阴离子在界面的密度分布也与阴离子的水化能力相关, 阴离子水化能力越弱, 其在界面富集程度越高, 不同阴离子在界面的富集趋势为Cl－＜Br－＜I－; 阳离子水化能力的强弱也影响其共存阴离子在界面的富集程度, 阳离子的水化能力越弱, 其共存阴离子在界面的富集程度就越低.     

硝酸钾电解质溶液水化结构的分子动力学模拟

Molecular dynamics simulations were carried out to study the structure of ion clusters and hydration properties of KNO3 solution. The water molecule was treated as a simple-point-charge (SPC) model, and a four-site model for the nitrate ion was adopted. Both the Coulomb and Lennard-Jones interactions between all the charged sites were considered, and the long-range Coulomb electrostatic interaction was treated using Ewald summation techniques. The configuration of ionic pairs, the radial distribution function of the solution, and the effect of solution concentration on ionic hydration were studied in detail. It was found that there are ionic association phenomena in KNO3 solution and that the dimeric, triplet, solvent-separated ion pairs, and other complex clusters can be observed at high ionic concentration condition. As the concentration of solution decreases, the ionic hydration number increases, 5-7 for cation K+ and 3.5-4.7 for anion NO3-, which is in good agreement with former Monte Carlo and time-of-flight neutron diffraction results.     

聚电解质溶液热力学性质的研究

本文采用柱形胞腔模型以及Vink的近似方法, 求解聚电解质溶液的Poisson-Boltzmann方程, 得到不同条件下聚离子周围静电势的分布。进而得到了不同条件下聚离子、反离子和同电荷离子的活度系数及溶剂的渗透系数。所得结果与实验值能较好地吻合。     

pH值、盐浓度敏感性两性聚电解质微球的合成及性质

以丙烯酰胺(AM)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)和甲基丙烯酸(MAA)为单体,在乙醇介质中制备出对pH值、盐浓度双敏感的两性聚电解质微球。 采用透射电子显微镜(TEM)和红外光谱(IR)方法对其形貌和结构进行了表征。 研究了聚电解质微球在不同pH值溶液及NaCl、CaCl2盐溶液中粒径的变化情况。研究结果表明,第二步中反应制备的微球粒径为1 177 nm,多分散指数(PDI)为0.181;相比第一步反应制备的微球(d=764 nm;PDI=0.069)其粒径明显增大,PDI数值略有增加。当溶液pH＜4.3时,微球的粒径随溶液pH值的减小而逐渐增加;当pH＞4.3时,微球的粒径随溶液pH值的变大逐渐增加;pH=4.3时,微球的粒径具有最小值。盐溶液的pH值接近等电点时,在单价态NaCl溶液中,两性聚电解质微球表现出典型反聚电解质效应;而在多价态CaCl2溶液中,其粒径先增长再逐渐下降。     

具有反聚电解质溶液行为的两性聚合物

大分子链上同时含有正负电荷基团且其数目相等的两性聚合物，具有独特的反聚电解质溶液行为和广阔的应用前景。本文就其合成、溶液特性及应用进行了概述。     

接枝型聚两性电解质CS-g-PLGA的合成及溶液性质

合成了以壳聚糖(CS)为主链、 聚(L-谷氨酸)(PLGA)为侧链的接枝型聚两性电解质CS-g-PLGA(CGA), 表征了其结构与组成, 探讨了pH值、 离子强度和离子种类等对CGA水溶液性质的影响. 研究发现, 随着溶液离子强度的增大, CGA的等电点(IEP)移向高pH值; 离子水化半径越大, 对CGA分子中相反电荷的屏蔽作用越弱, 对IEP的影响越小; CGA中氨基和羧基相对含量越接近, 对溶液离子强度的变化越敏感. 此外, CGA具有显著的pH响应性, 在酸性及碱性溶液中分别形成结构相反的聚集体. 在CS主链氨基含量相近的条件下, 聚集体的稳定性随PLGA链长的增加而提高. 酸性溶液中聚集体粒径取决于CS主链的电荷数; 碱性溶液中PLGA侧链越长则平均粒径越大.     

诺氟沙星-DNA复合物的分子动力学模拟

采用分子模建的方法构建了诺氟沙星-DNA复合物的初始结构, 通过2 ns的分子动力学(MD)模拟研究表明: 诺氟沙星能够和双螺旋d[ATATCGATAT]₂形成稳定的复合物, 药物分子可紧密结合在DNA的小沟区域, 并且能够与DNA的鸟嘌呤碱基形成两个稳定的氢键. 在分子水平上提供了诺氟沙星直接与双螺旋DNA相互作用的结构及复合物的动态变化情况.     

系列离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了系列离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中的表面活性和胶束化能力. 模拟结果表明,压力张量法得到的表面张力模拟值偏小,需乘以修正系数矫正;分子动力学模拟得到的临界胶束浓度变化规律与实验相符,可以定性比较不同结构的离子液体型Gemini咪唑分子间的胶束化能力;温度的升高会加剧分子的热运动,不利于离子液体型Gemini咪唑表面活性剂在水溶液中形成胶束;此外,研究还发现联接基不同的离子液体型Gemini咪唑表面活性剂可能遵循不同的胶束化机理.S≤6时,单个分子自组装成胶球后发生聚合形成大胶团.随着咪唑上长烷烃链碳数的增加,[C_n-4-C_nim]胶束化能力提高;而随着联接链长度增加,[C₁₀-S-C₁₀im]胶束化能力降低;当S ＞6时,分子联接基弯曲并伸入其它分子烷烃链内部以减小头基分离力,从而形成稳定的胶束或胶团.随着联接基团亚甲基数的增加,头基斥力减小,附加疏水相互作用增强,[C₁₀-S-C₁₀im]胶束化能力提高.     

水化镁基蒙脱石的分子动力学模拟

利用分子动力学(MD)模拟了300 K时镁基蒙脱石(粘土)层间水和镁离子的结构和动力学性质.模拟结果显示水在粘土层间分为二层,只有一小部分水被粘土表面吸附,与粘土结构中的羟基形成氢键,不同分布位置的水处于动态平衡.层间水分子氢键配位数比普通水少24%左右,水在粘土中自扩散系数D＝5.355×10^-10 m²·s^-1,约为主体相水的1/4.镁离子在粘土层间形成一层,其与水分子配位数约为6.进一步讨论了温度对粘土层中水的结构和动力学性质的影响.随着温度升高,水层的局部密度ρ(z)降低,水在XY方向的扩散系数不断增大.当温度达到600 K后,层间水分子间的氢键断裂,与超临界状态下水的结构相似,层间水的扩散系数达最大值,温度进一步升至700 K时,其值基本无变化.     

Molecular Dynamics Simulation of Mg2+ and Ca2+ Ions in Water

Molecular dynamics simulations of single Mg²⁺ and Ca²⁺ ions in water have been carried out. Different ion-water potentials from the literature have been used, whereas the same water potential, a rigid simple point charged model, has been considered in all the simulations. Structural, thermodynamic, and dynamic properties have been calculated, and the results for different potentials have been compared with available experimental data. The study includes ion–water radial distribution functions, coordination numbers, solution enthalpies, hydration free energies, self-diffusion coefficients, and reorientational times of water molecules in the hydration shells.     

Molecular Dynamics Simulation of Aqueous Solutions Using Interaction Energy Components: Application to the Solvation Gibbs Energy

Molecular dynamics simulations of aqueous solutions of the solutes acetamide (AcNH₂), acetic acid (AcOH), and acetaldehyde (AcH) were made using Lennard–Jones 12-6-1 potentials to describe the solute–solvent interactions. The Morokuma decomposition scheme and the ESIE solute atomic charges were used to reproduce the exchange, polarization, and electrostatic components of the solute–water interaction energy. A nonlinear perturbation was incorporated into the “slow-growth” technique in order to improve the results for the solvation Gibbs energy that were found to be in agreement with the available experimental and theoretical values.     

真空条件下β-环糊精和对-甲基苯酚包结物动态结构的分子动力学模拟

本文报道了真空状态下主体β-环糊精和客体对-甲基苯酚形成的包结物在一定时间间隔内动态微观结构的分子动力学模拟结果。研究表明，对-甲基苯酚在环糊精腔内的运动具较大的自由度，但由于存在范德华作用，其运动受到一定的限制，同时通过计算观察到包结前后主客体的某些微观结构和性质发生了较为明显的变化。本文还给出了计算得到的主客体包结物的时间平均构象。     

高分子粗粒化分子动力学模拟进展

模拟与理论、实验相互补充,彼此验证,使我们在原子和分子尺度上理解相关实验现象中的微观物理机制。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟已发展成为独特的高分子科学研究手段,在高分子材料优化设计和性能与结构问的性能关系研究中起重要作用。高分子具有不同层次的结构,材料的性质和功能不仅取决于化学结构和分子性质,而且很大程度上取决...