CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2004-2010年
纳米气泡与纳米水层的分子动力学模拟研究
王春雷
Subtype博士
Thesis Advisor方海平
2010-01
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Degree Discipline粒子物理与原子核物理
ClassificationQ‐366
Abstract本文首先用分子动力学方法研究了疏水界面上的纳米气泡的性质。我们发现,在水中,由N2和H2这两种小疏水分子组成的气体成分会在疏水界面上富集,形成气层以及气泡两种富集形态,并且疏水界面上的这种富集气体拥有极高的密度,这为纳米气泡的稳定性这一争论性问题提供了一种可能的解释。第二,本文通过建立分子动力学模型系统,发现了常温下的“疏水水层”这一新奇的现象。我们发现,表面极性越强,表面观察到的接触角越大。表面的极性程度与所显示出来的亲疏水程度的趋势与一般的理解正好相反,进而引起我们对界面水性质的重新理解。通过分析,我们发现了形成这一现象的机制是这个界面上“疏水水层”的存在。该水层的高度有序性以及水水之间形成的氢键网络,剥夺了该水层内水与其他水形成氢键的机会,从而大大减小了该水层与其上水之间的相互作用。同时,我们发现这一新奇现象对表面的结构极其敏感,这一发现我们的研究为制造这种拥有新奇性质的新材料提供了可能。第三,我们还研究了表面的极化电荷对于亲疏水性质的影响,我们发现这一关系并不是简单的像我们一般所想的,极性越强表面越亲水,而是会根据极性原子的几何排布构型的不同,表面表现出完全不同的性质。我们认为,这个影响至少存在3种分类:1,表面极化电荷大小对浸润性质完全不起作用;2,强烈的特殊的极性分布会导致疏水水层,即极化电荷越大,看起来越疏水;3,极化电荷越大,表面越亲水。我们分别分析了表面与水之间的相互作用,我们发现,对于第1种情况,尽管表面的极性很强,但水与表面的相互作用占据主导地位的还是范德瓦尔斯作用,静电作用几乎不起作用。而对第2种情况,尽管起主导作用的是静电相互作用,但正是因为这个强烈的作用导致了水变有序,而且极性越强,水层越有序,从而导致了水层上长水滴的特殊现象,即疏水水层的出现。而第3种情况就是我们一般认为的效果,即表面极性越强,表面越亲水。总体来看,表面的极化程度与表面亲疏水性并不具有统一的规律,这是由于表面极化原子的不同几何排布所带来的影响。因为该几何排布不仅仅决定了表面水与界面的相互作用,同时决定了水层在该界面上的是否有序。这一发现扩展了人们对表面浸润的认识领域,将几何与表面的物理化学性质联系到一起,从而为将来更好的利用这一原理来制造新的材料。
Department中国科学院上海应用物理研究所
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/7487
Collection中科院上海应用物理研究所2004-2010年
Recommended Citation
GB/T 7714
王春雷. 纳米气泡与纳米水层的分子动力学模拟研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2010.
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