分子模拟方法在表面活性剂体系中的应用
Using Molecular Mechanics Force Field Method to Study Surfactant Systems
本论文以分子力学力场为核心,研究分子模拟方法在复杂表面活性剂体系中的应用.本工作主要涉及基于常见表面活性剂体系的TEAM力场开发,以及分子模拟在表面活性剂体系中的应用.使用到的计算方法主要有量子化学从头计算方法,分子动力学方法.这些研究工作主要包括:1.为了建立一套具备可迁移性的的分子力场(TEAM力场),我们从量子化学方法出发,研究各种常见官能团对周边化学环境的影响.通过拟合量子化学计算得到的数据我们确定了TEAM力场的键参数以及电荷参数;然后通过拟合纯态液体的蒸发焓和密度实验数据,确定了范德华参数.这样得到的TEAM力场具有很好的扩展性和可迁移性,对纯态简单体系的热力学性质有比较好的描述.2.表面活性剂是一种具有亲水和亲油基团的分子,以其独特的性质广泛应用于日常生活和工业生产中,如洗涤剂,食物制造,化妆品技术和大规模石油提炼等.表面活性剂在气液界面上的行为,降低表面占张力的能力直接决定了它的效用,因此是研究表面活性剂体系的重点.为了建立一套能够很好描述常见表面活性剂体系的力场,我们在TEAM力场的基础上,通过调节表面活性剂分子个别原子与水的相互作用项参数,弥补由于水的极化带来的额外作用,从而建立了一套以TEAM力场为核心的新力场.用这套力场可以很好的预测平衡浓度下,常见表面活性剂体系的表面张力,从而比较准确的描述这种复杂体系.这部分工作也为以后表面活性剂体系的研究打下了基础.3.表面活性剂/水/表面活性剂组成的薄膜的稳定性在工业应用以及科学研究方面都是热点之一.由于体系的特殊性,实验很难完成所有的研究,而这在理论计算方面却是很好的模型体系.我们通过建立拉伸模型,直接模拟具有表面活性剂体系薄膜的破裂过程,从能量的分析可以得出破裂的位置,计算临界厚度大小;通过结构,动力学等方面的分析,我们提出了不同表面活性剂体系薄膜破裂的不同机理.最后我们也模拟了混合表面活性剂体系的破裂,作为探索研究的一部分,发现两种表面活性剂混合能产生互补的作用,提高薄膜稳定性能,这与实验的数据也有一定的相关.4.在工业应用方面,预测表面活性剂性能具有广阔的前景.我们通过计算表面活性剂分子一系列的热力学性质,通过简单的函数直接拟合实验的泡沫性能,得到了比较好的相关.依靠这种方法,我们可以从理论模拟的角度预测一种新的表面活性剂分子的性能好坏,这将对实际工业生产提供很大帮助.
- 作者：
- 沈喆
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 化学工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 孙淮
- 中图分类号：
- O647.2
- 关键词：
- 分子力学力场；分子模拟；表面活性剂；表面张力；薄膜
- Molecular mechanics force field；Computer simulation；Surfactant；Surface tension；Thin film