水滴与表面修饰类石墨基质相互作用的分子动力学研究
电子显微镜下观察到荷叶的表面存在特殊的微米级的凸起和纳米级头发状的针状结构。实验中已经有一些尝试来合成类似的结构模拟荷叶的疏水效应，但是在微观尺度的机理尚不明确，微观尺度下水滴与荷叶表面的针状结构之间是如何相互影响还不能够确定。我们知道当疏水界面与水接触时会形成一个界面，其中基质的结构可能会对水的结构和动力学性质造成影响，进而也对界面造成一定的影响。气液界面对于大量机械、化学、生物、工业和环境等过程具有非常重要的意义。从分子级别去了解疏水界面如何影响水的结构既会对这些过程有重要意义，也会对疏水界面的应用有所扩展。但就目前来说，这方面的计算机模拟研究相对较少。
在某些实验中已经将聚合物修饰在基质表面做基质表面疏水效应的变化研究，但这方面的模拟研究尚未见诸报道。在论文中我们将会对被固定在基质表面的烷烃分子与水之间的相互作用进行研究，这将有助于我们从分子尺度去了解其中的机理。我们的主要研究结果如下:
(1)从水滴的质心分析中可知，烷烃分子数目的增多反而会减小烷烃分子在基质表面的移动范围。因为水滴的移动受到了水中烷烃分子或分子团簇的限制。
(2)对于所有烷烃分子整体，当烷烃分子数目增多的时候，烷烃分子与z轴的夹角会变小，首尾原子距离增大，尾原子的高度会增加。这就说明烷烃分子数目增多时，烷烃分子没有足够的空间活动来贴近石墨烯表面，所以它只能倾斜。如果我们修饰足够多的烷烃分子最后可能就会使得烷烃分子在石墨烯表面处于直立的状态。对于水滴中的烷烃分子，分子数目增多时，烷烃分子与z轴夹角和尾原子高度的波动性都变大。这说明烷烃分子整体的活动是受到了水滴的限制，但是烷烃分子在水滴中并不稳定，特别是与水滴接触的部分都表现出很大的波动性，如果增大烷烃与水的接触将会使得烷烃分子的波动性更大。
(3)烷烃所含碳原子数目改变的时候，烷烃分子与z轴夹角并不受影响，他们波动的平衡值是一致的，但是波动性是有差别的，烷烃分子含有的碳原子数目越多烷烃分子首尾原子距离波动性越强，因为长链烷烃的柔软性更好。
(4)当改变烷烃分子与石墨烯之间的势能时，势能增高，烷烃分子与z轴的夹角变大，首尾原子距离增大，但是尾原子高度降低。这证明烷烃分子在势能增高的时候是处于比较伸直的状态更加贴近石墨烯表面。
另外，我们模拟了限制空间中固定在基质表面的烷烃分子与水之间的相互作用进行研究。模拟研究表明水分子聚集成的水滴在限制空间中表现出来的形态是不同的，且随空间限制的变化而变化。在高4nm的空间中，水滴与上下两层石墨板都有接触，但是在高6nm和高8nm的空间中水滴只是在一层石墨板上面聚集，并且水滴表现出来的接触角也是不同的。随着限制空间的高度变小，水滴在基质表面的接触角变小，这说明基质亲水性随限制空间增强也有所增强。
纳微尺度;亲疏水性;烷烃分子;分子动力学
北京化工大学
硕士
化学工程
张现仁
2013
中文
TQ021
89
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）