水滴與表面修飾類石墨基質(zhì)相互作用的分子動力學(xué)研究.pdf

1、電子顯微鏡下觀察到荷葉的表面存在特殊的微米級的凸起和納米級頭發(fā)狀的針狀結(jié)構(gòu)。實驗中已經(jīng)有一些嘗試來合成類似的結(jié)構(gòu)模擬荷葉的疏水效應(yīng)，但是在微觀尺度的機理尚不明確，微觀尺度下水滴與荷葉表面的針狀結(jié)構(gòu)之間是如何相互影響還不能夠確定。我們知道當(dāng)疏水界面與水接觸時會形成一個界面，其中基質(zhì)的結(jié)構(gòu)可能會對水的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)造成影響，進而也對界面造成一定的影響。氣液界面對于大量機械、化學(xué)、生物、工業(yè)和環(huán)境等過程具有非常重要的意義。從分子級別去了解疏

2、水界面如何影響水的結(jié)構(gòu)既會對這些過程有重要意義，也會對疏水界面的應(yīng)用有所擴展。但就目前來說，這方面的計算機模擬研究相對較少。
　　 在某些實驗中已經(jīng)將聚合物修飾在基質(zhì)表面做基質(zhì)表面疏水效應(yīng)的變化研究，但這方面的模擬研究尚未見諸報道。在論文中我們將會對被固定在基質(zhì)表面的烷烴分子與水之間的相互作用進行研究，這將有助于我們從分子尺度去了解其中的機理。我們的主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)從水滴的質(zhì)心分析中可知，烷烴分子數(shù)目的增

3、多反而會減小烷烴分子在基質(zhì)表面的移動范圍。因為水滴的移動受到了水中烷烴分子或分子團簇的限制。
　　 (2)對于所有烷烴分子整體，當(dāng)烷烴分子數(shù)目增多的時候，烷烴分子與z軸的夾角會變小，首尾原子距離增大，尾原子的高度會增加。這就說明烷烴分子數(shù)目增多時，烷烴分子沒有足夠的空間活動來貼近石墨烯表面，所以它只能傾斜。如果我們修飾足夠多的烷烴分子最后可能就會使得烷烴分子在石墨烯表面處于直立的狀態(tài)。對于水滴中的烷烴分子，分子數(shù)目增多時，烷烴分

4、子與z軸夾角和尾原子高度的波動性都變大。這說明烷烴分子整體的活動是受到了水滴的限制，但是烷烴分子在水滴中并不穩(wěn)定，特別是與水滴接觸的部分都表現(xiàn)出很大的波動性，如果增大烷烴與水的接觸將會使得烷烴分子的波動性更大。
　　 (3)烷烴所含碳原子數(shù)目改變的時候，烷烴分子與z軸夾角并不受影響，他們波動的平衡值是一致的，但是波動性是有差別的，烷烴分子含有的碳原子數(shù)目越多烷烴分子首尾原子距離波動性越強，因為長鏈烷烴的柔軟性更好。
　　

5、 (4)當(dāng)改變烷烴分子與石墨烯之間的勢能時，勢能增高，烷烴分子與z軸的夾角變大，首尾原子距離增大，但是尾原子高度降低。這證明烷烴分子在勢能增高的時候是處于比較伸直的狀態(tài)更加貼近石墨烯表面。
　　 另外，我們模擬了限制空間中固定在基質(zhì)表面的烷烴分子與水之間的相互作用進行研究。模擬研究表明水分子聚集成的水滴在限制空間中表現(xiàn)出來的形態(tài)是不同的，且隨空間限制的變化而變化。在高4nm的空間中，水滴與上下兩層石墨板都有接觸，但是在高6nm和