净电荷对材料润湿性及纳米颗粒水溶性的影响

作     者：徐平平 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱键卓

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：分子动力学模拟 纳米颗粒 净电荷 水溶性 润湿性 

摘      要：纳米材料具有许多优异的物理与化学性能,纳米材料的水溶性与润湿性是两个非常重要的性质。纳米材料所带的净电荷对于其水溶性和润湿性都有重要影响。本文通过分子动力学模拟的方法,以富勒烯(C)和石墨烯作为模型,系统地研究了净电荷对于纳米颗粒水溶性以及纳米材料表面润湿性的影响,并深入分析了其背后的物理机制。本文的主要研究内容如下:通过向C上部分原子引入电荷来构建带不同净电荷的纳米颗粒。发现引入净电荷后,纳米颗粒在水中的分散性得到了显著改善。当所带电荷量绝对值相等的情况下,带正电纳米颗粒的水溶性强于带负电纳米颗粒的水溶性,带正电荷的纳米颗粒周围的水合水分子的取向比带负电荷的纳米颗粒周围水合水分子的取向更无序。这是因为带正电纳米颗粒的水合层中水分子之间的相互作用势比带等量负电纳米颗粒的水合层中水分子的相互作用势强,并且净电荷为-n e的纳米颗粒与同时接触多个聚集态纳米颗粒的水分子之间的相互作用比带+n e的纳米颗粒与水分子的相互作用更强,这有利于带正电荷纳米颗粒的溶解。通过在单层石墨烯上引入均匀且微量的电荷来构建带不同净电荷的平面。发现引入净电荷后,纳米材料的表面润湿性得到了显著改善。当材料表面所带的电荷量绝对值相等时,带正电荷的纳米材料表面上的水滴接触角明显小于带负电荷时的接触角。主要是因为带正电的表面与界面水的相互作用强于带有同等电量的负电荷的表面。这项工作有助于理解润湿性的机制,有利于更好的理解微小量净电荷对纳米材料的润湿性和水合性能的影响。