纳米气泡与疏水相互作用的分子动力学研究

作     者：李伟健 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆杭军

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米气层 反浸润转变 疏水相互作用 分子动力学模拟 

摘      要：疏水相互作用在许多生物和化学现象中起到关键作用,例如蛋白质的折叠、膜的渗透、细胞中生物分子的自组装、胶体的组装、水在纳米通道中的输运和离子通道的开关。长程疏水相互作用将导致表面纳米气层的出现,理论和实验工作也验证了表面纳米气泡的存在。表面纳米气泡在气体储存、清洁燃料电池等领域上有优秀的应用前景。甲烷是最简单的有机物,是天然气、沼气和可燃冰等的主要成分。近年来,根据氢燃料电池的制作原理,高燃烧热的甲烷也被用于设计甲烷燃料电池。甲烷燃料电池的效率高、污染低。而且甲烷燃料电池的成本大大低于传统燃料电池。甲烷的储存是电池生产过程中的关键技术。高密度的甲烷气体的吸附可以作为一种可行的手段。因此,有关水中表面对甲烷气体的吸附规律研究对于提高燃料电池的性能和优化气体分离设备的性能有很大的帮助。疏水表面还会引起一个有趣的现象,被称为反浸润转变(Dewetting transition)。反浸润转变指的是纳米尺度下,当两块疏水表面靠的足够近时,即使它们之间的距离足够容纳多层水分子,两层表面之间的水分子依然会被排出。两层表面之间的水分子数量的减少将导致长程疏水相互作用。这种由水导致的长程疏水相互作用被认为对大部分生物结构在水环境中的稳定性起到决定性作用。例如,在球蛋白的折叠过程中,普遍认为疏水基团是被由反浸润导致的长程疏水相互作用拉到一起的。然而,生物分子结构的复杂性导致从实验上去理解反浸润转变和疏水相互作用在生物现象中起到的作用和机制十分困难,同时也难以考虑气体分子等常见小分子的影响。因此,通过分子动力学研究模型疏水表面的反浸润转变现象成为一个可行而有效的方法。在本文中我们通过分子动力学模拟,我们研究了温度对石墨平面吸附水环境中甲烷分子过程的影响和氮气分子对两层表面之间排水的临界距离和疏水相互作用的影响和机制。主要内容如下:第一章、主要介绍了表面纳米气层和疏水相互作用的研究现状,介绍了本文主要的研究方法和内容。第二章、简略的介绍了分子动力学模拟,包括基本理论和方法、能量最小化、粒子之间的相互作用、统计系综、分子动力学的积分算法、粒子网格Ewald算法和进行分子动力学模拟的流程。第三章、通过MD方法,详细研究并分析了不同温度情况下多层石墨烯平面吸附水中甲烷分子的现象和机理。第四章、构建了两块疏水表面组成的理想模型系统,在两块表面之间加入一定数量的氮气分子,通过改变加入表面之间氮气分子的数量,分析了不同数量的氮气分子对反润湿转变临界距离的影响。通过对系统轨迹和密度分布随时间的演化的分析,我们研究了氮气分子在表面之间的行为和影响疏水相互作用的机制。第五章、总结和展望。