采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了雙鏈陰離子表面活性劑1-烷基-癸基磺酸鈉（1-C_m-C₉-SO₃Na）在氣/液界面的聚集行為。通過分析體系中各組分的密度分布和徑向分布函數(shù),考察了m大小對其界面性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:隨著m的增大,表面活性劑的疏水性增強(qiáng),疏水碳鏈的傾斜角也隨之降低;m=4時(shí),1-C₄-C₉-SO₃Na分子采用平躺的方式在界面上聚集,S-Na⁺和S-S的相互作用最大,極性頭基的水化能力最弱。通過模擬和實(shí)驗(yàn)對比得出,m增加到4個(gè)時(shí),對該類雙鏈陰離子表面活性劑性能的提高最顯著。 

【文章來源】：物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2017,33(06)北大核心SCICSCD

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【部分圖文】：

}Cg-SO}Na的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖及各原子上的電荷

1216ActaPhys.-Chim.Sin.2017Vol.33圖11-Cm-C9-SO3Na的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖及各原子上的電荷Fig.1Schemeofchemicalstructuresfor1-Cm-C9-SO3NaandchargedistributioninmoleculesHydrogenatomsarenotshown.圖2各體系模擬平衡時(shí)的構(gòu)型Fig.2Balancedconfigurationsforallsystems(A)m=0;(B)m=2;(C)m=4;(D)m=6;(E)m=8;(F)m=9.Thecarbonatoms(gray),hydrogenatomsinthecarbonchains(white),sulfuratoms(yellow)andNa+ions(purple)arehighlighted.nm)，模擬體系的格子尺寸為3nm×3nm×20nm。所有模擬均在MaterialStudio軟件中運(yùn)行，采用NVT系綜，引入周期邊界條件，選取COMPASS力場，該力場的非鍵相互作用能通過公式(1)計(jì)算。使用Hoover-Nóse控溫方法，溫度控制在298K，弛豫時(shí)間為0.2ps。模擬時(shí)間為2ns，步長為1fs，最后1ns存儲(chǔ)的軌跡文件用于后續(xù)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析。長程靜電勢采用Ewald方法，截?cái)喟霃皆O(shè)定為0.95nm。模擬體系構(gòu)型建立之后，先用Smart方法進(jìn)行能量最小化，然后再開始進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬。Enon-bond=∑εi,jij2rij0rij9-3rij0rij6+∑qiqjriji,j(1)式中rij、r0ij和εij分別為粒子i和j之間的距離、尺度和能量參數(shù)，qi和qj分別為粒子i和j的電荷。3結(jié)果和討論3.1表面活性劑界面聚集行為所有體系表面活性劑均在界面聚集，如圖2所示。隨著m的增加，表面活性劑進(jìn)入界面層水相的程度逐漸減弱。由圖2A中明顯看出，整個(gè)表面活性劑分子幾乎都聚集在界面層中，而隨著m的增加，表面活性劑的部分碳?xì)滏溨饾u遠(yuǎn)離界面區(qū)域(圖2B、2C和2D)，最終絕大部分碳?xì)滏湺汲尸F(xiàn)遠(yuǎn)離界面水層的趨勢(圖2E和2F)。這表明，隨著m的增加，1-Cm-C

No.6陳貽建等：雙鏈陰離子表面活性劑1-烷基-癸基磺酸鈉在氣/液界面聚集行為：分子動(dòng)力學(xué)模擬研究1217圖3各組分密度分布曲線Fig.3Densityprofilesofdifferentcomponents(A)m=0;(B)m=2;(C)m=4;(D)m=6;(E)m=8;(F)m=9相。從碳鏈的排列來看，在m=0，4時(shí)(圖2A和2C)，碳鏈基本以平躺為主，而其它幾個(gè)體系，碳鏈則以傾斜狀居多。Na+則多集中在界面區(qū)域，部分會(huì)留在水相當(dāng)中。更為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)特征可以通過解析體系中各組分的密度分布函數(shù)獲得。圖3給出了各體系中H2O、1-Cm-C9-SO3和Na+的密度分布函數(shù)圖。從1-Cm-C9-SO3的分布圖可以看出，所有體系的峰均較尖，峰也基本位于界面區(qū)域，說明1-Cm-C9-SO3在氣-液界面形成有序的單層。Na+的分布較為廣泛，水相也有小峰，界面區(qū)域有最高峰，表明Na+主要分布在界面區(qū)域，這與圖2中直觀看到的結(jié)果一致。為了更直觀比較m的增加對1-Cm-C9-SO3和Na+密度分布的影響，將密度分布圖中兩個(gè)組分的最高峰出峰位置以及峰高列于表1當(dāng)中。從1-Cm-C9-SO3的出峰位置可以看出，m=0時(shí)，其峰位置和峰值均要小于其它體系，說明隨著m的增加，表面活性劑的疏水性增強(qiáng)，其分布必然要呈現(xiàn)遠(yuǎn)離水相的趨勢，故而出峰位置更大，而疏水性增強(qiáng)有利于其在界面形成聚集體，所以密度較高(峰值大)。從圖3A中也可以發(fā)現(xiàn)，1-C0-C9-SO3的峰有更大一個(gè)區(qū)域與水相重疊，說明其親水性更強(qiáng)。且出峰區(qū)域大約是從1.0到2.5nm，要寬于其它體系(1.2到2.5nm)，導(dǎo)致其峰值較低。從Na+的峰位置及峰高可以看到，m=0時(shí)，其峰位置和峰值也大體小于其它體系，這應(yīng)該是由表面活性劑的頭基引起的，從圖1的電荷分布結(jié)果可以得到m=2,4,6,8,9

【參考文獻(xiàn)】：
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