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巨型表面活性剂分子在气/液界面吸附组装的分子模拟研究

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巨型表面活性剂分子在气/液界面吸附组装的分子模拟研究

作者：杨紫琼华南理工大学

学位级别：硕士

通过分子设计调控宏观组装体的结构与性能是纳米材料制备领域的追求之一。同时具有两亲性结构与纳米尺寸的巨型表面活性剂分子作为一种新型的软物质体系,其分子的组成单元数目、拓扑结构、官能团性质等具有灵活的可调节性,在本体和溶液... 详细信息

通过分子设计调控宏观组装体的结构与性能是纳米材料制备领域的追求之一。同时具有两亲性结构与纳米尺寸的巨型表面活性剂分子作为一种新型的软物质体系,其分子的组成单元数目、拓扑结构、官能团性质等具有灵活的可调节性,在本体和溶液环境的研究中已展现出引人瞩目的自组装行为。因此,巨型表面活性剂分子有潜力被应用于制备各种结构的功能性纳米材料。相对而言,巨型表面活性剂分子在受限环境下的组装研究还比较有限,而已有的实验结果表明这类体系有望为可控制备低维纳米材料提供新的思路。近期,我们的实验合作者合成出八种具有不同柔性链序列的巨型表面活性剂分子,并利用气/液界面及Langmuir-Blodgett技术制备出一系列具有不同厚度的Langmuir膜。实验发现,这些薄膜的厚度会随着亲水纳米粒子在分子中的序列位置改变而呈现出规律性变化。然而,由于表征技术的局限,实验上难以深入了解分子尺度上的结构信息及组装细节。本工作在合作者的实验基础上,采用分子模拟的方法对巨型表面活性剂分子在气/液界面的组装行为进行探究,揭示分子序列对巨型表面活性剂气/液界面组装的微观调控机理,并分析影响巨型表面活性剂分子界面吸附的主要因素,对巨型表面活性剂分子在气/液界面组装过程中的相变行为展开系统的分析与阐释。本论文的具体研究内容分为了以下两大部分:(1)在实验的基础上,采用隐式溶剂模型结合动态蒙特卡洛模拟,计算出与实验结果相符的表面压变化曲线,分析了巨型表面活性剂分子在气液两相界面组装成单层膜的动态演变过程,并揭示了巨型表面活性剂Langmuir单分子膜的微观排布形貌。此外,还通过改变纳米粒子在分子中的序列位置,对巨型表面活性剂的组成结构进行调控,比较并分析了这些同分异构体在气/液界面的组装过程与组装结构,总结出了分子序列结构对宏观纳米组装材料的调控规律,即随着亲水基本单元的序列位置升高,宏观纳米组装材料的表面压,厚度,结构有序度等呈现单调性变化规律。(2)在第一部分研究的基础上,采用了显式溶剂模型结合经典分子动力学模拟的方法,并设计出物理性质与热力学表现更接近于真实系统的双界面层模型,模拟了巨型表面活性剂分子在显式溶剂模型中的气/液界面行为。首先,显式溶剂模拟验证了在与实验对应的条件下,巨型表面活性剂分子在气/液界面组装形成单分子膜的微观行为,验证了隐式溶剂模型的适用范围。然后,进一步扩大了显式溶剂模拟过程中的参数范围,讨论了溶剂分子与巨型表面活性剂分子之间的相互作用、巨型表面活性剂分子之间的相互作用,对巨型表面活性剂气/液界面吸附组装行为的影响,为未来更多的实验研究提供了分子模拟方面的见解。

关键词：分子动力学模拟动态蒙特卡洛模拟巨型表面活性剂气/液界面界面组装

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微生物脂肽在气/液界面的分子形态

化学进展 2009年第6期21卷 1118-1123页

作者：宋昌盛叶汝强牟伯中华东理工大学应用化学研究所上海200237 太仓出入境检验检疫局太仓215400

微生物脂肽是一类具有很强表面活性和生物特性的生物表面活性剂。脂肽分子由亲水的肽链和疏水的脂肪烃链两部分组成,由于其特殊的化学组成和两亲性分子结构,脂肽类生物表面活性剂在医药、食品、化妆品、环境修复和微生物采油等领域有很... 详细信息

微生物脂肽是一类具有很强表面活性和生物特性的生物表面活性剂。脂肽分子由亲水的肽链和疏水的脂肪烃链两部分组成,由于其特殊的化学组成和两亲性分子结构,脂肽类生物表面活性剂在医药、食品、化妆品、环境修复和微生物采油等领域有很好的应用潜力。表面活性素是一类典型的微生物脂肽化合物,这主要是因为它除了具有表面活性外,还具有抗菌、抗病毒等生物活性。表面活性和生物活性主要在界面处发生,并受到活性分子在亲水/疏水界面上的分子形态的影响。本文重点以表面活性素为评述对象,综述了近年来微生物脂肽在气/液界面上分子形态的研究进展。

关键词：微生物脂肽表面活性素气/液界面分子形态

气/液界面及固体表面硬脂酸LB膜结构性质研究

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生物物理学报 1991年第3期7卷 321-327页

作者：俞从容隋森芳清华大学生物科学与技术系

对气液/和固/液界面上硬脂酸LB膜的结构性质的研究表明,二价离子能够使气/液界面上LB膜表面压力降低,并出现一个固-固转变的过程.对此可以解释为是由二价离子富集在亚相表面,减弱了膜分子之间的库仑作用,使表面电势降低引起的.同时由于... 详细信息

对气液/和固/液界面上硬脂酸LB膜的结构性质的研究表明,二价离子能够使气/液界面上LB膜表面压力降低,并出现一个固-固转变的过程.对此可以解释为是由二价离子富集在亚相表面,减弱了膜分子之间的库仑作用,使表面电势降低引起的.同时由于二价离子与硬脂酸分子形成复合物,单层膜的结构发生改变,导致固-固转变点的产生.对固体基质上多层LB膜的椭圆偏振研究表明,有序排列的硬脂酸LB膜具有明显的双折射性质.电镜观察发现两个固相垂直提位获得的多层膜在形貌上存在差异,低压固相膜较之高压固相膜存在明显的不均匀性.分析认为这是在膜从气/液界面向固体表面转移过程中发生重结晶引起的.

关键词： LB膜结构气/液界面固体表面

咪唑基表面活性离子液体在气/液界面的扩张粘弹性（英文）

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物理化学学报 2016年第5期32卷 1227-1235页

作者：李燕柴金岭山东师范大学化学化工与材料科学学院山东高校化学成像功能探针协同创新中心济南250014

合成了两种咪唑基表面活性离子液体,通过界面膨胀流变法研究了其在气/液界面的聚集行为,考察了咪唑基表面活性离子液体浓度、无机盐和温度对聚集行为的影响。研究发现,咪唑基表面活性离子液体在吸附过程中吸附控制占主导作用,而弛豫过... 详细信息

合成了两种咪唑基表面活性离子液体,通过界面膨胀流变法研究了其在气/液界面的聚集行为,考察了咪唑基表面活性离子液体浓度、无机盐和温度对聚集行为的影响。研究发现,咪唑基表面活性离子液体在吸附过程中吸附控制占主导作用,而弛豫过程不是单一指数函数;加入无机盐或升高温度可以提高咪唑基表面活性离子液体的表面活性、增强其在界面的吸附能力、降低表面张力。扩张流变结果显示扩张模量、弹性模量和粘性模量随震荡频率增加而增加;随表面活性离子液体浓度增大,扩张模量先增大后减小。扩张模量随温度升高或无机盐(NaBr或CaBr_2)的加入而降低。表面活性离子液在气/液界面形成的吸附膜以弹性模量为主,而且C_(14)mimBr的界面膜弹性模量大于C_(12)mimBr的界面膜弹性模量。

关键词：吸附动力学扩张模量气/液界面咪唑基表面活性离子液体

抗衡离子对硫酸盐表面活性剂气/液界面性质影响的分子动力学模拟

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物理化学学报 2015年第1期31卷 83-89页

作者：胡松青纪贤晶范忠钰张田田孙霜青中国石油大学(华东)理学院山东青岛266580 华北油田公司勘探开发研究院河北任丘062552

采用全原子分子动力学方法研究了抗衡离子为第一主族离子(Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+)的十二烷基硫酸盐表面活性剂的气/液界面性质.通过分析体系中各组分的密度分布曲线,考察表面活性剂单分子层在界面的聚集形态,并利用径向分布函数分析了... 详细信息

采用全原子分子动力学方法研究了抗衡离子为第一主族离子(Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+)的十二烷基硫酸盐表面活性剂的气/液界面性质.通过分析体系中各组分的密度分布曲线,考察表面活性剂单分子层在界面的聚集形态,并利用径向分布函数分析了表面活性剂极性头基与抗衡离子间的相互作用.研究结果表明:随着抗衡离子半径的增大,不同体系的界面水层厚度依次增加,表面活性剂极性头基与抗衡离子形成的Stern和扩散层厚度也相应增加.但表面活性剂吸附层的抗衡离子缔合度以及体系表面张力却随抗衡离子半径的增大而减小.研究表明抗衡离子的差异对十二烷基硫酸盐表面活性剂气/液界面性质有很大影响.

关键词：十二烷基硫酸盐抗衡离子气/液界面双电层分子动力学

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偶联表面活性剂在气/液界面上的区域形貌

物理化学学报 2003年第11期19卷 1069-1072页

作者：陈启斌董亚明刘洪来胡英华东理工大学化学系

测定了偶联表面活性剂propilidene-1,3-bis(dimethyloctadecylammonium bromide)(PBDOAB)在0.005 mol·L^(-1)NaBr溶液气/液界面上的分子面积和表面压-分子面积等温线。用自制的Brewster角显微镜观察了PBDOAB在该溶液的气/液界面上的区域结构。结果表明,PBDOAB在0.005 mol·L^(-1)NaBr溶液的气/液界面上生成了凝聚态的单分子膜;观察到在界面上形成了环形的区域结构;在环形结构内的分子取向呈中心对称。

关键词：偶联表面活性剂气/液界面区域形貌 Brewster角显微镜单分子层表面张力

气/液界面磁驱动微机器人系统设计与实验研究

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气/液界面磁驱动微机器人系统设计与实验研究

作者：刘路哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

微米尺寸机器人在微纳制造、生命科学实验、生物医疗等领域具有巨大应用潜力和前景。在微纳制造中,对于微纳米尺寸的器件,毛细力相对于自身重力通常占据主导地位,在一定条件下,可以稳定漂浮在气/液界面上。相对于固体表面环境,气/液界... 详细信息

微米尺寸机器人在微纳制造、生命科学实验、生物医疗等领域具有巨大应用潜力和前景。在微纳制造中,对于微纳米尺寸的器件,毛细力相对于自身重力通常占据主导地位,在一定条件下,可以稳定漂浮在气/液界面上。相对于固体表面环境,气/液界面具有低阻力特征,为微纳器件操作提供了另一种选择。相应地,探索适于气/液界面作业的微米尺寸机器人具有重要意义。本文设计一种气/液界面磁驱动微机器人系统,建立气/液界面微机器人的静力学和动力学模型,进行磁驱动系统结构设计,分析电磁线圈产生的磁场和磁场力,并开展微机器人系统相关运动实验研究。首先,建立典型微球体和微圆柱体构件在气/液界面的静力学模型,计算作用在气/液界面微构件的作用力。通过对Young-Laplace方程的求解,分别研究微球体和微圆柱体受力随浸入液体深度的变化情况,分析接触角、微构件形状对作用力的影响。采取表面疏水处理,增大接触角,进一步增强微机器人承载能力,并进行实验验证。最后在微机器人加工方法比较的基础上,采用激光切割制作微机器人本体。其次,根据气/液界面磁驱动微机器人的特点,比较不同的磁场产生方式,建立气/液界面磁驱动微机器人系统的磁场模型,进行磁场力和磁力矩的理论计算及仿真分析。针对磁驱动微机器人系统特点,建立气/液界面磁驱动微机器人动力学方程,并确定其控制方案。分析线圈参数对磁场和磁场梯度的影响,根据微机器人的运动需求,完成线圈的空间布置,并分析工作区域内的磁场和磁场梯度。进行实验分别验证磁场与电流之间的关系以及不同位置处磁场变化情况。最后,建立气/液界面磁驱动微机器人系统,包括硬件模块和软件模块,开展微机器人在气/液界面上的运动实验,包括电流波形和幅值、机器人形状和尺寸以及液体介质对运动影响的实验研究,进行不同轨迹的微机器人运动实验,并计算运动的轨迹偏差和重复定位精度。实验表明微机器人在去离子水中运动时最大速度可达470μm/s,重复性精度为30.2μm。

关键词：微机器人磁驱动气/液界面电磁线圈无缆

两种Gemini表面活性剂在气／液界面的混合单分子膜

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精细化工 2005年第Z1期22卷 134-136页

作者：曹静静姜蓉赵剑曦高绍康福州大学化学化工学院化学系福建福州350002

用Langmuir膜天平测定了双头基四疏水链的季铵盐Gemini表面活性剂2C12-8-2C12·2Br和羧酸型Gemini表面活性剂c11pPHCOOH在气／液界面的表面压(π)-每个分子平均占据面积(A)的等温线,考察了压缩模量(ε)、过剩面积(△AE)、过剩自由能(△... 详细信息

用Langmuir膜天平测定了双头基四疏水链的季铵盐Gemini表面活性剂2C12-8-2C12·2Br和羧酸型Gemini表面活性剂c11pPHCOOH在气／液界面的表面压(π)-每个分子平均占据面积(A)的等温线,考察了压缩模量(ε)、过剩面积(△AE)、过剩自由能(△GE)等热力学参数随混合体系组成的变化。结果表明,纯组分体系和混合体系均形成液相扩展态单分子膜,混合体系的组成显著影响气／液单分子膜的性质以及组成膜的分子之间的相互作用。

关键词：气/液界面混合单分子膜 Langmuir膜天平 Gemini表面活性剂相互作用

稳定泡沫气/液界面微观形貌的形成机理研究进展

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日用化学工业 2011年第5期41卷 360-363页

作者：燕永利邓强孟梅西安石油大学化学化工学院陕西西安710065

简要介绍了吸附在气泡界面上的表面活性剂发生自聚集现象,形成丰富的纳米微结构及特征形貌。这些微观结构形成了具有良好黏弹性的界面膜,极大地改善了泡沫的稳定性。结合文献调研和作者前期研究结果,分别对稳定气泡界面上不同体系形成... 详细信息

简要介绍了吸附在气泡界面上的表面活性剂发生自聚集现象,形成丰富的纳米微结构及特征形貌。这些微观结构形成了具有良好黏弹性的界面膜,极大地改善了泡沫的稳定性。结合文献调研和作者前期研究结果,分别对稳定气泡界面上不同体系形成的多边形、菜豆形、雪花形、网状及峰谷形貌等的形成机理展开重点评述,指出了该领域目前存在的问题及发展方向。

关键词：稳定泡沫气/液界面微观形貌形成机理自聚集