环氧树脂/铝界面湿气老化性能的分子模拟

着眼于环氧树脂和泡沫铝界面的湿热老化性能,通过分子动力学模拟研究了界面中的湿气对界面能量的影响。本文建立了一系列分子动力学模型,模型中包含了环氧树脂高分子网络和铝原子以及不同含量的水分子。水分子的质量与环氧树脂的质量比变化范围为0~12.5%,模拟温度保持在370K,以此来模拟相似的加速老化试验中的环境温度。模拟计算在不同湿气水平下进行,通过预先设定NVT系综的湿气浓度值来实现。从模拟计算中,发现了环氧树脂体系的非键能出现了显著降低,这与环氧树脂与铝金属基体的界面能量随着水分子的增加急剧变弱有很好的一致性。     

全原子分子动力学模拟反相色谱分离细胞色素C的过程

采用全原子分子动力学方法模拟了反相色谱分离蛋白质的吸附和洗脱过程。采用表面键合C4烷基链的硅胶基质作为反相色谱介质和细胞色素C作为蛋白质模型,模拟蛋白质在反相色谱分离过程中的构象变化。结果显示:在吸附过程中,蛋白质在释放出表面结合水分子的同时置换出色谱介质表面的水分子。与其在溶液中的天然构象相比,吸附态蛋白质的构象发生改变。在洗脱过程中,随着溶剂从水切换到甲醇,甲醇取代水分子包覆在介质和蛋白质表面,将蛋白质从介质表面置换下来。分子模拟的结果再现了有关反相色谱"优先水化"的吸附机制,并从分子水平上展现了吸附和洗脱过程中蛋白质、色谱介质和溶剂之间相互作用,对反相色谱介质设计和过程优化提供了参考。     

新型疏水缔合减阻剂的分子模拟

为减小流体的流动阻力,在水中添加少量的表活剂,其减阻性能比高分子活性剂高,并且克服了高分子活性剂不稳定、易降解等缺点。采用分子模拟软件Materials Studio 2017 R2,分别构建丙烯酸十二酯(LA)、丙烯酸十四酯(TA)、丙烯酸十六酯(HA)、丙烯酸十八酯(OA)与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合,建立聚合物与水分子的混合模型,进行分子动力学模拟,计算不同聚合物在水中的回旋半径,水分子的均方位移,以及聚合物与水分子间的相互作用能。通过研究聚合物的回旋半径、水分子的均方位移、聚合物与水分子间的相互作用能,来推算聚合物单体的减阻潜力,优选出减阻潜力最好的聚合物单体。结果表明,聚合物链的伸展越大,则水分子的扩散系数越小,聚合物与水分子的相互作用能越大,聚合物单体的减阻作用越强。结果表明丙烯酸十二酯(LA)对应的聚合物单体在318K下的减阻效果最好。     

煤分子结构对煤层气吸附与扩散行为的影响

对煤的芳香单元延展度、芳香单元堆砌层数以及包括不同缺陷和含氧官能团类型的表面结构对煤层气吸附与扩散的影响进行了研究。采用Monte Carlo模拟方法及分子动力学模拟方法分别得到了煤层气的吸附量与扩散系数,模拟温度为303 K,压力为10 MPa。研究结果表明,单位质量的煤对甲烷的吸附量随着芳香单元堆砌层数的增加而降低,缺陷和含氧官能团的存在不利于甲烷的吸附。甲烷的扩散随着芳香单元延展度的增加呈现出一个N形的复杂变化过程,单缺陷和羰基的存在有利于煤层气的扩散,煤结构中大的裂隙更有利于煤层气的扩散。最后,基于煤层气的微观影响因素和宏观运移行为提出了煤颗粒径向不均质的煤层气扩散微观模型。     

褐煤低温干燥特性的实验研究

中国褐煤储量丰富,但较高水分极大地限制了其开采和利用,对其进行脱水提质是解决褐煤高效利用的关键。通过热重分析仪（TGA）对HL和YN的不同粒径褐煤,分别在50,80和110℃等温干燥2h。结果表明：在每个干燥温度下煤样都能达到恒重,随着温度的升高煤样总失重增加,说明煤中水分与煤表面之间具有不同的结合强度;随着水分的降低,水分蒸发所需能量增加,煤水之间的相互作用加强,其中包括氢键和微孔对水的束缚力。粒径0．250～0．150mm、水分26．61％的HL褐煤在50c（二干燥后,水分降至6．96％,此时水分以分子层水的形式存在;干燥温度升至110℃时,煤中水分并未明显降低,说明煤中官能团与水分子间形成的氢键对水分有强烈的吸附作用。HL褐煤50℃干燥后,0．150～0．074mm和0．074～0．038mm煤样残留水分分别为6．52％和3．93％,均低于0．250～0．150mm煤样的6．96％,说明0．250～0．150mm煤样中不能脱除的残留水是孔隙水,被禁锢在狭小空间内。     

发泡水对泡沫沥青粘聚/粘附性的多尺度影响研究

综合采用分子动力学模拟、水煮法实验、表面自由能实验和拉拔实验等宏微观方法,研究发泡水对沥青粘聚和粘附性的影响机制。结果表明,分子尺度上水分子排斥沥青分子,从而削弱沥青间界面能量;宏观尺度发现泡沫沥青与集料的抗水煮剥落性有所降低,发泡水对沥青的粘聚及粘附性不利,且发泡水越多对沥青的粘聚和粘附性损害越明显。泡沫沥青界面能与其粘聚和粘附性能具有高度相关性,可从宏观尺度和微观分子尺度解释发泡水对泡沫沥青粘聚/粘附性的多尺度影响。     

煤分子结构对煤层气吸附与扩散行为的影响

对煤的芳香单元延展度、芳香单元堆砌层数以及包括不同缺陷和含氧官能团类型的表面结构对煤层气吸附与扩散的影响进行了研究。采用Monte Carlo模拟方法及分子动力学模拟方法分别得到了煤层气的吸附量与扩散系数,模拟温度为303 K,压力为10 MPa。研究结果表明,单位质量的煤对甲烷的吸附量随着芳香单元堆砌层数的增加而降低,缺陷和含氧官能团的存在不利于甲烷的吸附。甲烷的扩散随着芳香单元延展度的增加呈现出一个N形的复杂变化过程,单缺陷和羰基的存在有利于煤层气的扩散,煤结构中大的裂隙更有利于煤层气的扩散。最后,基于煤层气的微观影响因素和宏观运移行为提出了煤颗粒径向不均质的煤层气扩散微观模型。     

外壁荷电性质对双壁碳纳米管中水分子运动行为的影响

采用分子动力学模拟方法考察了双壁碳纳米管外壁荷电性质对孔道内水分子运动行为的影响。模拟结果显示：外壁荷电的双壁碳纳米管中水分子链呈现“双偶极”分布,由此将水分子的偶极翻转限制在碳纳米管的中部,避免了整条水分子链的偶极翻转,加速了水分子运动。外壁负载电荷也增强了水分子与碳纳米管之间相互作用,降低了水分子进入碳纳米管的能量壁垒,增强了碳纳米管内水分子内的氢键稳定性,这些均有利于水分子加速进入碳纳米管并在其中连续运动。上述结果从分子水平上揭示了碳管中水分子流动机理,为设计新型水纯化膜材料提供了有益的启示。     

胰岛素活性结构在水合离子液体中的稳定性

离子液体以其独特的、可修饰的分子结构以及优良的物理化学性质被应用于蛋白质的稳定性研究。采用分子动力学模拟方法及微量热法,研究热敏性蛋白药物胰岛素在不同水质量分数下水合离子液体中活性结构的稳定性,并深入分析离子液体与胰岛素之间的相互作用及水分子与蛋白质稳定性之间的关系。研究结果表明,当水质量分数低于25.00%时,胰岛蛋白的热变性温度能保持在68℃以上。且通过模拟分析得出,含水量25.00%的水合离子液体体系中,大量阴、阳离子在胰岛蛋白表面聚集,并通过较强的静电相互作用吸附在其表面,从而对蛋白质的活性结构展现出良好的稳定效果。结合宏观实验研究及微观动力学计算阐释了不同水含量的离子液体稳定蛋白质的作用机理,并为离子液体对蛋白质的稳定作用研究提供了一种新的分析方法。     

分子动力学模拟在蛋白质固体表面吸附构象转变中的应用

蛋白质在固液界面上吸附过程中,溶液中的蛋白质分子不仅在自身之间存在着相互作用,而且还与水分子和固体表面之间发生着复杂的相互作用,蛋白质分子的生物活性也会发生变化。本文采用分子动力学模拟的方法对这一构象变化的复杂过程进行研究,并以聚十赖氨酸固液界面吸附过程为例进行了分子动力学模拟计算。     

胰岛素活性结构在水合离子液体中的稳定性

离子液体以其独特的、可修饰的分子结构以及优良的物理化学性质被应用于蛋白质的稳定性研究。采用分子动力学模拟方法及微量热法,研究热敏性蛋白药物胰岛素在不同水质量分数下水合离子液体中活性结构的稳定性,并深入分析离子液体与胰岛素之间的相互作用及水分子与蛋白质稳定性之间的关系。研究结果表明,当水质量分数低于25.00%时,胰岛蛋白的热变性温度能保持在68℃以上。且通过模拟分析得出,含水量25.00%的水合离子液体体系中,大量阴、阳离子在胰岛蛋白表面聚集,并通过较强的静电相互作用吸附在其表面,从而对蛋白质的活性结构展现出良好的稳定效果。结合宏观实验研究及微观动力学计算阐释了不同水含量的离子液体稳定蛋白质的作用机理,并为离子液体对蛋白质的稳定作用研究提供了一种新的分析方法。     

膜材料与生物分子相互作用的分子模拟

以生物分子的膜过滤过程为应用背景,采用分子模拟方法考察不同结构的单体分子对膜表面电位、膜与生物分子相互作用能的影响,以此为基础选择适宜的单体分子进行膜改性以降低因吸附生物分子而导致的膜污染.以氨基酸和二肽为例,采用Hyperchem软件计算考察了丙烯酸、季铵盐及它们的衍生物分子进行膜改性时的效果及其用于生物分子膜过滤时的适宜操作条件.模拟计算结果与实验结果吻合,有关相互作用能的计算结果也与前期实验结果相符.本研究显示出分子模拟技术在分离材料设计和分离过程优化方面所具有的良好应用前景.     

天然气-水-活性剂混合体系在石英表面吸附微观机理研究

构建了天然气-水-活性剂混合体系与α-石英晶面构成的界面超分子结构模型,采用分子动力学方法研究了温度为350 K和325 K,活性剂为甲醇的情况下,岩石对天然气分子以及水分子的界面吸附行为的影响.研究发现甲醇分子可降低水分子与α-石英表面的结合能从而起到降低水锁的危害,并从分子动力学的角度解释了解除水锁危害的微观机理.     

计算机分子模拟在活性炭吸附VOCs行为研究中的应用

在活性炭吸附VOCs行为研究中常用的是蒙特卡洛和分子动力学两种分子动力学分子模拟方法。文章主要对MC和MD研究方法在VOCs吸附中的应用进展进行了综述。MC模拟方法中应用较多的是GCMC,一般采用LJ相互作用势能模型,从微观和宏观角度研吸附剂吸附现象;MD法通过求解粒子的运动方程,得到各粒子的运动轨迹,可模拟得到活性炭的宏观吸附性质,也可结合其他方法得到一些常规方法无法得到的微观信息。     

[BMIM]HSO_4离子液体腐蚀性的实验与分子模拟

基于失重法和分子模拟方法,研究了1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([BMIM]HSO_4)的腐蚀性和离子液体分子与金属表面的相互作用。实验结果表明[BMIM]HSO_4对304不锈钢具有腐蚀性,且在水溶液中腐蚀性显著增强。基于量子化学方法计算了[BMIM]HSO_4分子的HOMO和LUMO分布、Fukui指数及分子内部特征参数,计算结果表明[BMIM]HSO_4在Fe金属表面吸附的位置主要集中在阴离子硫酸氢根和阳离子咪唑环上,可分别形成配位键和反馈键,在水溶液中[BMIM]HSO_4分子与金属表面的相互作用变弱。分子动力学模拟揭示了在不同的环境中[BMIM]HSO_4分子在Fe金属表面的吸附过程和吸附能。量子化学计算和分子动力学模拟结果一致,从理论上解释了在水溶液中[BMIM]HSO_4腐蚀性增强的原因。     

磺化反应对沥青质聚集影响的分子动力学研究

利用Gromacs软件,采用分子动力学模拟方法,以委内瑞拉沥青质为模型,考查了磺化反应对沥青质聚集的影响。分子动力学模拟结果表明,随着沥青质分子中磺酸基数目的增加,分子间的静电作用和范德华作用均增大,分子间的静电作用占总相互作用的比重增大。氢键数目及氢键相互作用大幅度增加,磺化后沥青质更容易发生聚集。     

PEO-PPO-PEO嵌段共聚物温敏特性及其影响机制的分子模拟

以Pluronic P85为例,采用全原子分子动力学模拟方法研究了单链嵌段类共聚物PEO-PPO-PEO在不同溶剂中的温敏性相转变行为及其影响机制。分子模拟结果显示当Pluronic P85溶解在水溶液和极性有机溶剂（甲醇）中时,升温导致PPO和PEO与水或甲醇分子间氢键断裂、使得溶剂化壳层被破坏而释放出水或甲醇分子,Pluronic P85发生构象塌缩,呈现反向温度响应特性。当Pluronic P85溶解在非极性有机溶剂（甲苯）中时,升温导致分子热运动加剧而削弱Pluronic P85链分子内相互作用,使其在甲苯中的构象更加舒展,呈现正向温敏特性。分子模拟结果还展现了PEO和PPO链段的溶剂化效应随温度的变化及其对于聚合物构象的影响,对于此类聚合物的分子设计和应用提供了理论依据。     

Au（111）表面磺酸甜菜碱自组装单层膜的分子模拟

旨在探索磺酸甜菜碱型材料阻抗蛋白质吸附的微观机理,以更好地指导新型无生物污染材料的设计和开发.采用分子力学和分子动力学方法,对磺酸甜菜碱在Au（111）表面的分子自组装结构和性能进行研究.研究结果表明,磺酸甜菜碱在Au（111）表面可形成7×7的稳定结构,真空模拟中分子平均倾斜角为23,°水溶剂化模拟中则为25°,两性离子端基偶极方向趋于平行;水和磺酸甜菜碱的两性离子基团相互作用而吸附于表面上,形成一层牢固的水膜,从而有效地阻止蛋白质吸附到材料表面上.     

[BMIM]HSO4离子液体腐蚀性的实验与分子模拟

基于失重法和分子模拟方法,研究了1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐（[BMIM]HSO₄）的腐蚀性和离子液体分子与金属表面的相互作用。实验结果表明[BMIM]HSO₄对304不锈钢具有腐蚀性,且在水溶液中腐蚀性显著增强。基于量子化学方法计算了[BMIM]HSO₄分子的HOMO和LUMO分布、Fukui指数及分子内部特征参数,计算结果表明[BMIM]HSO₄在Fe金属表面吸附的位置主要集中在阴离子硫酸氢根和阳离子咪唑环上,可分别形成配位键和反馈键,在水溶液中[BMIM]HSO₄分子与金属表面的相互作用变弱。分子动力学模拟揭示了在不同的环境中[BMIM]HSO₄分子在Fe金属表面的吸附过程和吸附能。量子化学计算和分子动力学模拟结果一致,从理论上解释了在水溶液中[BMIM]HSO₄腐蚀性增强的原因。     

蛋白质-表面活性剂组装结构的分子模拟

采用Langevin分子动力学方法模拟β模型蛋白与表面活性剂在溶液中形成的各种组装结构,考察了表面活性剂疏水性强度与浓度对蛋白质分子构象的影响.结果显示：弱疏水性表面活性剂可以在蛋白质表面自组装形成限制性空间,使被包覆的蛋白质的立体结构更为稳定;强疏水性的表面活性剂则可以与蛋白质疏水核心区的疏水基团形成复合物,而使蛋白质的立体结构被破坏,即蛋白质发生去折叠.上述模拟可再现相关实验结果,其展现的蛋白质结构转换微观图景对于表面活性剂的分子设计及其应用于生物加工过程具有指导作用.