| 题名 | SiO_2表面上醇类分子的浸润行为的分子动力学模拟研究 |
| 作者 | 聂雪川 |
| 答辩日期 | 2018 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 方海平 |
| 关键词 | 乙醇 醇类分子 Sio_2表面 浸润性 分子动力学模拟 |
| 英文摘要 | 浸润现象是自然界中常见的一种现象。液体的浸润性质在自清洁材料,双亲分子自组装,微机电系统,石油开采,表面处理等领域具有广泛的应用。在纳米尺度下,液体在固体表面的浸润行为往往有很多独特的性质。比如水分子可以在特定的模型表面自发的形成一层有序的水分子单层,然后在水分子单层的上方还可以形成一个水滴,这种现象被称为“不完全浸润的有序单层水”。醇类作为一种典型的双亲分子具有非常广阔的应用。比如甲醇是制备甲醛的主要原料,乙醇可以被用作燃料电池的燃料,医用消毒剂,有机溶液以及有机化工原料等。理解醇类分子在矿物表面的浸润性质在环境保护,生物科学以及工业生产等领域有重要的应用。我们课题组之前的研究发现乙醇分子可以在一个特定的带电模型表面自发的组装成一层有序的乙醇分子单层以及一个乙醇液滴,从而出现“不完全浸润的有序单层乙醇”的现象。这种现象的机制跟前面提到的“不完全浸润的有序单层水”的机制是类似的。到目前为止,尽管实验上研究了乙醇在二氧化硅(SiO_2)和方解石(Calcite)表面的指向行为,但是乙醇在真实的材料表面上会不会也能组装成一层“不完全浸润的有序单层乙醇”的现象还是未知的。另外,醇类分子具有相同的可以形成氢键的极性亲水头和各种不同长度的非极性疏水尾链。之前的研究发现,双亲分子的疏水尾链的长度可以影响其在纳米尺度的聚集行为,因为疏水尾链的长度会显著地影响疏水效应。但是到目前为止,疏水尾链的长度如何影响醇类分子的浸润行为仍然是未知的。在本论文中,我们选用羟基化的二氧化硅(SiO_2)的(111)面为基底,用分子动力学模拟的方法研究了乙醇分子在SiO_2基底上的浸润行为。研究发现乙醇分子可以在SiO_2表面上形成一个有序的单分子层,并且在这个单分子层的上方还可以形成一个乙醇液滴,为在真实材料表面上的“不完全浸润的有序单层乙醇”的模型提供了证据。第一层乙醇在SiO_2表面上排列成四边形的有序结构,与SiO_2的吸附位点的分布相吻合。第一层乙醇分子的羟基指向SiO_2表面,同时甲基背离SiO_2表面,而第二层乙醇分子的甲基会指向第一层乙醇分子的甲基,形成甲基面对甲基的排布。由于第一层乙醇分子是竖直地吸附在SiO_2表面的,这种指向决定了乙醇分子只能与SiO_2表面形成氢键,从而减小了第一层乙醇分子与其上的液滴形成的氢键的数目,这就是乙醇液滴能够稳定存在的机理。此外,我们发现乙醇分子在Al_2O_3的(001)面和方解石(Calcite)的(104)面也会出现类似的有序单分子层和液滴的结构。我们的研究发现,甲醇和丙醇分子也可以在SiO_2表面上形成一个有序的单分子层和液滴的结构。由于甲醇分子比较小,第一层甲醇分子的指向的有序性相对较弱。而丙醇分子的长度比较大,第一层丙醇分子之间会互相约束,因此第一层丙醇分子的指向的有序性比甲醇分子和乙醇分子强。与乙醇分子类似,第二层丙醇分子会与第一层丙醇分子形成甲基面对甲基的排布,但是甲醇分子不会出现这样的排布。我们的计算表明甲醇,乙醇和丙醇液滴的接触角分别为36°,58°和54°,其中乙醇液滴的接触角最大。这主要是因为乙醇液滴和乙醇分子单层之间的相互作用最弱,通过Young-Dupre方程可以推出乙醇液滴的接触角最大。进一步的研究发现,改变SiO_2的表面形态会对乙醇液滴的接触角产生显著的影响。增大SiO_2表面的晶格常数、减小SiO_2表面的极性或者在SiO_2表面产生缺陷等都会使乙醇液滴的接触角变小。这主要是因为改变SiO_2的表面形态会破坏第一层乙醇的有序结构,从而使第一层乙醇分子与乙醇液滴的相互作用能量变大。这些研究结果给出了在材料表面产生有序的乙醇单分子层和液滴的条件,即材料表面的吸附位点的间距要与乙醇分子的大小相匹配,材料表面的极性要足够大且表面不能存在缺陷。值得注意的是,水分子会显著地影响乙醇在SiO_2表面上的浸润行为。这主要是因为水分子会破坏Si O_2表面上第一层乙醇分子的有序结构,使第一层乙醇分子的排布产生缺陷。这会增大第一层乙醇分子与其上方的液滴的相互作用能量。这表明,通过加入水分子可以实现对乙醇分子在SiO_2表面的浸润性的调节。我们的研究从分子尺度上给出了醇类分子在矿物材料表面浸润的微观物理图像,加深了对醇类分子在强极性表面的浸润行为的理解,对微纳流体系统的设计和自清洁材料的制备具有一定的启发意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28490]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 作者单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 聂雪川. SiO_2表面上醇类分子的浸润行为的分子动力学模拟研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2018. |
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