水滴與表面修飾類(lèi)石墨基質(zhì)相互作用的分子動(dòng)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(jí)的凸起和納米級(jí)頭發(fā)狀的針狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)有一些嘗試來(lái)合成類(lèi)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(jī)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(shí)會(huì)形成一個(gè)界面，其中基質(zhì)的結(jié)構(gòu)可能會(huì)對(duì)水的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)造成影響，進(jìn)而也對(duì)界面造成一定的影響。氣液界面對(duì)于大量機(jī)械、化學(xué)、生物、工業(yè)和環(huán)境等過(guò)程具有非常重要的意義。從分子級(jí)別去了解疏

2、水界面如何影響水的結(jié)構(gòu)既會(huì)對(duì)這些過(guò)程有重要意義，也會(huì)對(duì)疏水界面的應(yīng)用有所擴(kuò)展。但就目前來(lái)說(shuō)，這方面的計(jì)算機(jī)模擬研究相對(duì)較少。
　　 在某些實(shí)驗(yàn)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(jiàn)諸報(bào)道。在論文中我們將會(huì)對(duì)被固定在基質(zhì)表面的烷烴分子與水之間的相互作用進(jìn)行研究，這將有助于我們從分子尺度去了解其中的機(jī)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(huì)減小烷烴分子在基質(zhì)表面的移動(dòng)范圍。因?yàn)樗蔚囊苿?dòng)受到了水中烷烴分子或分子團(tuán)簇的限制。
　　 (2)對(duì)于所有烷烴分子整體，當(dāng)烷烴分子數(shù)目增多的時(shí)候，烷烴分子與z軸的夾角會(huì)變小，首尾原子距離增大，尾原子的高度會(huì)增加。這就說(shuō)明烷烴分子數(shù)目增多時(shí)，烷烴分子沒(méi)有足夠的空間活動(dòng)來(lái)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(huì)使得烷烴分子在石墨烯表面處于直立的狀態(tài)。對(duì)于水滴中的烷烴分子，分子數(shù)目增多時(shí)，烷烴分

4、子與z軸夾角和尾原子高度的波動(dòng)性都變大。這說(shuō)明烷烴分子整體的活動(dòng)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(dòng)性，如果增大烷烴與水的接觸將會(huì)使得烷烴分子的波動(dòng)性更大。
　　 (3)烷烴所含碳原子數(shù)目改變的時(shí)候，烷烴分子與z軸夾角并不受影響，他們波動(dòng)的平衡值是一致的，但是波動(dòng)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(dòng)性越強(qiáng)，因?yàn)殚L(zhǎng)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(shì)能時(shí)，勢(shì)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(shì)能增高的時(shí)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(jìn)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(lái)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