本文關鍵詞：納米受限雙親分子溶液的分子動力學模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：雙親分子作為一種常見的溶質，它的關聯(lián)狀態(tài)對各種物理生物過程有著至關重要的作用，比如界面的潤濕或者去潤濕，配體結合，藥物輸運和蛋白質聚集或變性。雙親分子能否分散或聚集會直接影響到許多物理或者生物過程。比如，分散在水中的表面活性劑分子可以很容易吸附到液固界面，從而降低界面張力，增強水在污垢表面的潤濕性；聚集的磷脂分子可以形成各種不同形態(tài)的自組裝結構，特別是細胞的雙層膜。形成雙層結構保護細胞；分散在溶液中的氧化石墨烯可以淬滅由染料分子標記的DNA探頭，因此可以用來在生物系統(tǒng)中進行檢測。 一般說來，在宏觀尺度，溶質分子只能處在兩種狀態(tài)中的一種，或者穩(wěn)定分散，或者穩(wěn)定聚集。在納米尺度，系統(tǒng)往往表現(xiàn)出現(xiàn)許多不同于宏觀尺度下的行為。例如，碳納米管中的超快水流，甲醇在水中的不完全溶解，納米管道的開關效應和表面的不完全潤濕現(xiàn)象。由于納米受限空間廣泛存在于自然界，由此我們提出一個問題：在納米尺度受限水溶液中，雙親分子的關聯(lián)狀態(tài)是怎樣的？是否會出現(xiàn)不同于宏觀尺度的現(xiàn)象？ 在本論文中，我們以戊醇和己醇為例，研究了溶質分子在納米受限水溶液中的關聯(lián)狀態(tài)的動力學演化行為。通過分子動力學模擬，我們發(fā)現(xiàn)納米受限條件下的溶質可以在分散或聚集狀態(tài)之間“自發(fā)雙向可逆轉變”的狀態(tài)，而這種狀態(tài)在宏觀的系統(tǒng)中還沒有被觀察到。由于受限空間的存在，溶質出現(xiàn)穩(wěn)定聚集狀態(tài)所需要的臨界聚集濃度有非常明顯的提高。為了進一步的理解這些現(xiàn)象背后的物理機制，首先，我們發(fā)展了一個描述受限空間水溶液中雙親分子的分散和聚集的理想模型。在這個模型中，溶質分子可以分為兩類，一類溶質分子聚集成為一個單獨的團簇，另一類溶質分子分散在溶液中。團簇被看作是理想球體，內部由疏水尾密堆積而成，表面由疏水尾和親水頭共同組成。這樣，系統(tǒng)的吉布斯自由能來源于兩部分的貢獻：團簇的自由能和分散在團簇外部的分子的自由能。進一步，基于我們發(fā)展的模型，通過分析系統(tǒng)的吉布斯自由能，我們發(fā)現(xiàn)隨著溶質濃度的增加，系統(tǒng)的自由能曲線從只有一個極小值，到出現(xiàn)兩個極小值，最后成為只有一個極小值。這樣的自由能變化趨勢，保證了溶質濃度增加時，系統(tǒng)從穩(wěn)定分散，過渡到“自發(fā)雙向可逆轉變”，最終成為穩(wěn)定聚集狀態(tài)。特別的，在“自發(fā)雙向可逆轉變”的狀態(tài)，兩個極小值分別對應分散和聚集狀態(tài)。這兩個狀態(tài)間的能壘高度只有～kBT，和熱擾動同一個數(shù)量級，這就使得系統(tǒng)在熱擾動的影響下，可以在分散狀態(tài)和聚集狀態(tài)之間自發(fā)雙向可逆轉變。正是因為這種雙向轉變，聚集成穩(wěn)定顆粒團簇在納米受限條件下則需要更多的溶質，進而提高臨界成核濃度。 值得強調的是，在通常的宏觀溶液中形成團簇的需要自由能的計算表達式中，考慮到界面曲率的存在，我們引入了Tolman常數(shù)修正項，，描述微觀界面張力對宏觀界面張力系數(shù)的偏離。更重要的是，我們引入了受限空間水溶液中分散在團簇外的分子對自由能的貢獻項，這些修改將宏觀溶液中團簇的自由能計算拓展到納米尺度的受限空間。 我們詳細闡述了納米尺度受限空間對于溶質的關聯(lián)狀態(tài)的影響，受限空間內溶質分子的聚集或分散會強烈影響到分散在周圍的溶質分子的濃度，從而可以進入一個在分散或聚集狀態(tài)之間“自發(fā)雙向可逆轉變”的狀態(tài)。由于納米受限溶液廣泛分布于細胞液中大分子間，人造納米器械，巖石孔洞及土壤縫隙中等，該研究從理論層次加深了對納米受限條件下溶液中溶質行為的理解，也對比如藥物分子的吸收、納米材料的毒性、石油開采和土壤中碳元素的儲存等問題有啟示意義。
【關鍵詞】：納米受限空間 雙親分子團簇關聯(lián) 分散與聚集間的可逆轉變 臨界聚集 受限空間的自由能計算
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（上海應用物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O561
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-16
• 第一章 引言16-27
• 1.1 研究背景和意義16-23
• 1.1.1 溶質關聯(lián)狀態(tài)和分類16-17
• 1.1.2 溶質關聯(lián)狀態(tài)的重要性17-21
• 1.1.3 納米受限空間導致的新現(xiàn)象21-23
• 1.2 研究目的23-24
• 1.3 研究方法24-26
• 1.4 研究內容概述26-27
• 第二章 分子動力學方法介紹27-43
• 2.1 引言27-28
• 2.2 分子動力學方法介紹28-41
• 2.2.1 什么是分子動力學方法28
• 2.2.2 分子動力學方法的優(yōu)缺點28-29
• 2.2.3 分子動力學的流程29
• 2.2.4 力場的描述29-34
• 2.2.4.1 成鍵相互作用29-31
• 2.2.4.2 非成鍵相互作用31-34
• 2.2.5 蛙跳算法34
• 2.2.6 控溫算法34-37
• 2.2.6.1 Berendsen 控溫方法34-36
• 2.2.6.2 Velocity-rescale 控溫方法36
• 2.2.6.3 Nose-Hoover 控溫方法36-37
• 2.2.7 壓力控制方法37-38
• 2.2.7.1 Berendsen 控壓方法37-38
• 2.2.7.2 Parrinello-Rahman 控壓方法38
• 2.2.8 色散修正38-41
• 2.2.8.1 能量項的修正39-40
• 2.2.8.2 位力和壓力修正40-41
• 2.3 水模型41-43
• 第三章 受限空間中的雙親分子的自組裝理論43-53
• 3.1 引言43
• 3.2 非受限空間中團簇的吉布斯自由能43-49
• 3.2.1 經(jīng)典成核理論43-44
• 3.2.2 Chandler 的自組裝團簇理論44-46
• 3.2.3 我們給出的團簇吉布斯自由能46-49
• 3.3 受限空間中雙親分子的吉布斯自由能49-51
• 3.4 受限空間效應的再討論51-53
• 第四章 納米受限空間中雙親分子溶液的相變53-78
• 4.1 引言53
• 4.2 受限空間戊醇，己醇溶液的分子動力學模擬研究53-65
• 4.2.1 受限空間中戊醇分子的動力學過程53-62
• 4.2.1.1 系統(tǒng)介紹53-54
• 4.2.1.2 模擬參數(shù)設置54-55
• 4.2.1.3 團簇識別方法介紹55
• 4.2.1.4 不同溶質數(shù)目下的溶質關聯(lián)現(xiàn)象55-58
• 4.2.1.5 聚集態(tài)中團簇的結構描述58-60
• 4.2.1.6 分散態(tài)的性質60-62
• 4.2.1.6.1 溶質的局域濃度分布60-61
• 4.2.1.6.2 溶質周圍水分子的密度分布61-62
• 4.2.2 受限空間中己醇分子的動力學過程62
• 4.2.3 受限空間的尺度效應62-65
• 4.3 受限空間戊醇，己醇溶液相變的理論解釋65-78
• 4.3.1 理論與模擬的對接方法介紹65-67
• 4.3.2 戊醇分子理論與模擬的對接67-75
• 4.3.2.1 戊醇分子相關參數(shù)的確定67-68
• 4.3.2.2 戊醇分子理論擬合曲線68-69
• 4.3.2.3 不同關聯(lián)狀態(tài)的自由能圖69-71
• 4.3.2.4 理論曲線對于參數(shù)的敏感性71-72
• 4.3.2.5 理論模型在其它體積下的預測72-75
• 4.3.3 己醇分子理論與模擬的對接75-78
• 4.3.3.1 己醇分子相關參數(shù)的確定75-76
• 4.3.3.2 己醇分子理論擬合曲線76-78
• 第五章 納米受限雙親分子自組裝理論向宏觀情況的推廣和驗證78-85
• 5.1 引言78
• 5.2 臨界成核數(shù)目和成核能壘78-79
• 5.3 我們的雙親分自組裝理論向宏觀情況的推廣79-85
• 5.3.1 醇類分子臨界成核數(shù)目和成核能壘的預測79-85
• 5.3.1.1 醇類分子的相關參數(shù)求解79-83
• 5.3.1.2 醇類分子臨界成核數(shù)目的成核能壘83-85
• 第六章 雙親分子團簇識別方法的比較85-93
• 6.1 引言85-86
• 6.2 四種雙親分子團簇判據(jù)的比較86-91
• 6.2.1 模擬方法介紹86
• 6.2.2 結果和討論86-91
• 6.3 四種團簇法則的總結和評估91-93
• 第七章 總結和展望93-97
• 7.1 內容提要93-94
• 7.2 論文結論94-96
• 7.3 工作展望96-97
• 參考文獻97-107
• 已發(fā)表文章目錄107
• 待發(fā)表文章目錄107-108
• 致謝108-109

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 WANG ChunLei;YANG YiZhou;FANG HaiPing;;Recent advances on “ordered water monolayer that does not completely wet water” at room temperature[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2014年05期

  本文關鍵詞：納米受限雙親分子溶液的分子動力學模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：355013