褐煤与水微观相互作用的分子机制:多尺度分子模拟

煤与水的表面相互作用是洁净煤技术领域的重要科学问题之一。然而,褐煤与水的相互作用是一个复杂的物理化学过程,其微观机制在原子尺度和电子结构方面仍不明确。尤其缺乏褐煤中不同官能团与水之间相互作用能量、稳定性结构特征、相互作用本质的系统考察。基于多尺度分子模拟研究了褐煤与水微观相互作用的分子机制。基于量子化学计算重点考察典型褐煤模型结构中不同官能团与单分子水的相互作用,获得水分子在褐煤不同位点吸附的局域极小构象,以及稳定吸附构象的几何结构特征。基于独立梯度模型的直观绘景阐释了褐煤与水分子之间的相互作用形式主要为范德华作用和氢键。借助能量分解分析方法定量描述并确定了静电作用是稳定煤-水相互作用的最主要因素。此外,还基于分子动力学模拟揭示了不同数量褐煤分子与大量水分子相互作用的组装行为和演化特征,阐明了褐煤分子结构在大量水中的团聚现象。分子动力学模拟结果同样印证了褐煤和水分子主要以静电作用结合。

不同类型表面活性剂对烟煤润湿性能影响的分子模拟及实验

喷雾降尘是现阶段矿井使用最广泛的除尘方式之一,水对煤的润湿性能对喷雾降尘效果有着直接的影响,所以在水中加入表面活性剂可提高水对煤的润湿性能。为探究不同类型表面活性剂对烟煤粉尘润湿性能影响,以快渗T、1227、BS-12和APG 4种类型的表面活性剂为代表,采用分子模拟技术和实验室实验相结合对烟煤的润湿性能进行了研究。一方面,利用分子模拟手段构建了表面活性剂水溶液的界面体系,基于氢键形成数目和径向分布函数理论,对表面活性剂自身的亲水性进行了模拟分析,并开展了4种试剂的表面张力实验,研究发现,快渗T形成氢键的数目最多,为398个,且径向分布函数曲线出现峰值最早在1.99×10^(-10)m处,最易与H_(2)O分子吸附,实验结果也表现为快渗T对水的表面张力削弱最强,即表面张力最小,为24.4 mN/m。另一方面,通过静电势计算,结合构建的表面活性剂/水/烟煤三元吸附体系相互作用能分析,研究了4种表面活性剂对烟煤润湿性影响,并分别开展了烟煤在4种试剂中的沉降实验和接触角实验,结果表明,快渗T与烟煤分子结合后该部位与水分子的电势差最大,为6.8535 eV,其与烟煤间相互作用能也最大,为-2705.12 kJ/mol,实验结果也表现为2种烟煤在快渗T中的沉降时间最小,分别为26.3、10.22 s,接触角最小,分别为25.8°、21.7°,由此表明分子模拟结果均与实验结果一致,均验证得出阴离子型表面活性剂快渗T对烟煤的润湿性能为最好。

长链烷基甜菜碱表面活性剂在驱油用油水界面行为的分子模拟研究

随着化学驱规模化实施,表面活性剂的需求量猛增,而甜菜碱型表面活性剂由于其优异的界面活性、抗盐性能及绿色环保等特点,是适合油田多场景开采的一类高效驱油剂。为从分子尺度探究长链烷基甜菜碱型表面活性剂的界面活性并解释提采机制,利用分子动力学模拟研究了不同疏水链长和亲水基团的甜菜碱型表面活性剂油水界面行为和微观分子构型。通过与实验数据相互验证,为宏观实验现象提供了微观分子层面解释,并归纳了长链烷基甜菜碱型表面活性剂的界面作用机制,为根据分子模拟界面迁移及分布规律进行驱油剂设计提供指导。

硫化氢气体在金属有机骨架中吸附机理的分子模拟研究

研究硫化氢(H_(2)S)气体在金属有机骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)材料中的吸附机理,对应用MOFs材料控制城市地下有限空间内的H_(2)S气体具有重要意义。以不同类型的MOFs材料作为研究对象,基于Materials Studio软件建立了MOFs-H_(2)S吸附体系,应用巨正则蒙特卡洛(Rand Canonical Monte Carlo, GCMC)方法及分子动力学(Molecular Dynamics, MD)理论研究了相互作用能、吸附热、金属位点、官能团等的影响,在分子层面讨论了H_(2)S气体在MOFs中的吸附特性及机理。应用等温吸附试验验证了所使用分子模型及力场的可靠性。结果表明:不同金属位点对于吸附量有较大影响,对H_(2)S气体的吸附作用由强到弱依次为Mg^(2+)、Ni^(2+)、Co^(2+)、Mn^(2+)、Zn^(2+);亲水性官能团的引入利于H_(2)S气体的吸附捕捉;UiO-66-Cu因其团簇为网状结构更利于H_(2)S气体的捕捉与吸附。同时,该研究建立了吸附热方程,提供了MOFs吸附效果评判标准,为MOFs材料应用于城市地下有限空间吸附H_(2)S气体提供了理论依据。

典型层状硅酸盐矿物分子模拟研究进展

层状硅酸盐矿物性质特殊,在矿物浮选、矿物材料应用等领域的研究都备受关注。分子模拟作为一种高效分析预测手段,能从微观角度理解层状硅酸盐矿物的性质。综述了滑石、蛇纹石、蒙脱石、高岭石、云母等5种典型层状硅酸盐矿物的分子模拟研究现状,主要包括层间水化作用、矿物吸附浮选药剂及其他污染物,旨在进一步认识层状硅酸盐矿物并更好地分离与利用层状硅酸盐矿物。

页岩油注CO_(2)重有机质沉积机理的分子模拟

页岩油注CO_(2)过程中的重有机质沉积风险不容忽视,明确页岩油注CO_(2)过程中重有机质沉积的微观作用机理是准确预测重有机质沉积风险的关键。采用平衡分子动力学(EMD)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,基于页岩基质纳米孔隙结构特征,通过建立代表性的有机质孔隙模型,探究了页岩油烃类组分在页岩基质纳米孔隙中的分布规律、影响因素及CO_(2)注入对烃类组分分布规律的影响。模拟结果表明,有机质孔隙中的重质组分主要以吸附态的形式存在,轻质组分主要以游离态的形式分布在孔隙中央区域;CO_(2)注入会抽提页岩油中的轻质组分,破坏胶质—沥青质分子的稳定结构,重有机质分子在芳核结构间的π-π堆积作用下发生缔合、沉积,并最终吸附在页岩基质纳米孔隙壁面。此外,CO_(2)注入会能置换出部分吸附态的甲烷和乙烷,干酪根基质内的微孔空间是主要的CO_(2)地质封存空间。研究结果揭示了页岩油注CO_(2)过程中的重有机质沉积的微观作用机理。

离子乳化剂对乳化沥青稳定性影响的分子模拟

为探究不同离子乳化剂对乳化沥青稳定性产生的不同影响,基于分子动力学模拟,利用Materials Studio软件构建“沥青-乳化剂-水-乳化剂-沥青”双层模型结构,模拟含不同离子乳化剂分子的乳化沥青体系,对比研究阴(SDS)/阳(CTAC)离子乳化剂对乳化沥青稳定性的影响.对比加入不同乳化剂分子后,沥青乳液的相对浓度分布、界面膜厚度、界面形成能以及静电势(ESP)的变化,分析乳化沥青的稳定性.结果表明,相较于加入CTAC乳化剂的沥青乳液,SDS乳化剂更能增大沥青与水之间界面层的厚度,减小两相的界面张力,提高乳化沥青的稳定性;从静电势角度分析,相较于CTAC乳化剂,SDS乳化剂分子烷烃链的静电势极大值更大,更易与静电势为负值的原子相结合.因此,加入SDS乳化剂的乳化沥青,其整体稳定性能要优于加入CTAC乳化剂的乳化沥青.

Ⅳ型储氢气瓶内衬材料聚酰胺6氢渗透行为的分子模拟研究

采用分子模拟方法,在不同温度(30、40、60、80℃)和压力(82、87.5、98、103 MPa)条件下,研究氢气在聚合物材料聚酰胺6(PA6)中的渗透性,并分析了氢气的渗透机理。结果表明,温度升高时,吸附热和自由体积分数逐渐增加,热运动加剧,分子运动空间增大,氢气在PA6中的溶解度系数、扩散系数以及渗透系数均呈增大趋势。在压力为103 MPa时,升高温度对渗透系数的影响最大,增加了88.3%。随着压力增大,氢气与PA6分子链之间的相互作用减小,自由体积分数减小,所以氢气在PA6中的溶解度系数、扩散系数以及渗透系数均呈下降趋势。在温度为60℃时,压力对渗透系数影响最显著,降低了38.6%。氢气在PA6中的渗透机理包括在低势能区的聚集性吸附过程,和在自由体积处形成的空穴内振动-空穴间跃迁的扩散过程,温度升高时,氢气分子运动变得活跃,有更多的空穴间跳跃次数,压力升高时,变化相反。

分子模拟在废水光催化脱氮实验教学的应用

设计光催化脱氮实验,利用水热横向热剥离法制备Cl/S共掺杂的无金属氮化碳纳米管作为光催化剂(Cl/S-TCN),对催化剂进行表征分析。使用Materialstudio模拟软件,探究了催化材料的电子结构变化和光催化脱氮反应。与三聚氰胺直接煅烧获得氮化碳对比发现,Cl/S-TCN具有更大的比表面积和更强的光响应强度,提高了光催化脱氮性能。DFT计算表明,表面Cl和S掺杂剂优先吸附NO3-中的O原子,并通过O原子将光诱导e-传递给N原子,最终破坏N-O键。该实验旨在培养学生从分子角度分析无金属催化剂在可见光下驱动脱氮反应,加深学生对化学知识的理解,提高学生解决复杂工程问题的能力。

机器学习势及其在分子模拟中的应用综述

分子动力学模拟已经成为化工过程和技术研发的重要工具,但经典分子动力学模拟的精度不足和从头计算分子动力学模拟的高昂计算成本,制约了分子模拟技术的广泛应用。机器学习技术的出现和发展使得基于机器学习势的分子模拟快速发展起来,该方法兼具速度快与准确性高的优势,将极大地加速分子模拟技术在化工中的应用。首先回顾了机器学习势的发展历程,给出了构建机器学习势模型的原则,介绍了数据集构建、模型训练和模型迁移与应用等,分析了不同类型的机器学习势的特点和局限性,最后对机器学习势的应用前景进行了展望。

油酸和Span80协同煤油对低阶煤的浮选强化及分子模拟计算

低阶煤表面含有较多含氧基团,可浮性差,采用传统煤油捕收剂不仅药剂消耗大,而且分选效果差。复配捕收剂可以选择性地作用于矿物表面,从而提升浮选效果。以内蒙古色连二矿选煤厂低阶煤为研究对象,考察了传统捕收剂煤油的作用效果,并在此基础上引入含氧有机药剂油酸和Span80与其复配,考察复配药剂对低阶煤浮选的强化作用,并对其作用机理进行分析。结果表明:煤油-油酸和煤油-Span80复配药剂对实验煤样浮选均有促进作用。捕收剂用量为4000 g/t,起泡剂用量为800 g/t时,煤油-Span80复配药剂对应的精煤产率为83.17%,精煤灰分为11.78%,尾煤灰分为69.15%,可燃体回收率达到93.48%,浮选完善指标为42.18%。与煤油和煤油-油酸复配药剂相比,煤油-Span80复配药剂可显著提升尾煤灰分和可燃体回收率,达到了较为理想的分选效果。机理研究结果显示,油酸和Span80与煤油复配,可显著降低药剂在矿浆中的分散粒径,提高其与颗粒的接触概率;同时,油酸和Span80与煤作用,掩蔽了煤样表面的亲水基团,改善了煤样疏水性,使其更易在煤粒表面铺展。模拟计算发现油酸和Span80药剂的前线轨道能隙小于正十二烷(煤油)的前线轨道能隙,煤油-油酸和煤油-Span80复配药剂与煤表面的相互作用能大于正十二烷(煤油)与煤表面的相互作用能,表明复配药剂更具活性,更容易与煤表面发生吸附。

基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法研究进展

结构模型的构建是多孔炭材料结构表征、“构效”关系探究、吸附模拟研究等的前提和基础。本文对基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法、应用及特点进行了综述性评介,以挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)吸附净化用活性炭的选型需求为导向,分析各种模型构建方法的适用性。结果表明,由片段单元组装构成多孔炭结构的早期模型,能展现多孔炭材料的部分表观性质,但对多孔炭吸附性能的解析与机理阐释尚缺乏指导意义。多孔炭结构模型构建方法可归为仿真过程法和结构重建法,前者适于炭材料微观结构演变的研究,但所需算力高;后者通过拟合多孔炭的实验、表征数据、在一定约束条件下重建模型,其中的随机填充法可以针对性地调控模型的孔结构和官能团,应用于吸附模拟研究时有助于确定吸附特定VOCs的最优孔结构、筛选合适的活性炭,进而指导多孔炭材料的制备。然而,对包括随机填充法在内的结构重建法,尚需掌握量化调控结构模型孔结构、表面官能团的方法与关键参数,发展能够进行多参数、多指标“构效”关系研究的多尺度化模型,才能对多孔炭材料的实际应用提供指导。

储氢金属有机骨架材料分子模拟研究进展

分析了储氢金属有机骨架(MOFs)材料的储氢影响因素、储氢性能指标与评价方法,综述了相关模拟算法构筑与理论计算,阐述了分子模拟方法对储氢MOFs材料方面的研究思路与进展,确立今后的研究发展方向的机遇与挑战,为促进储氢MOFs材料研究和商业应用提供理论依据。

分子模拟技术在食品领域中的应用研究进展

从食品领域的上游实验室研发到下游工厂生产过程中,有许多问题无法用传统试验方法从宏观上得到解决。分子模拟技术不仅简洁高效、成本低廉,还可以通过对分子行为的分析快速预测或解释试验结果,是连接微观与宏观的重要工具。文章阐述了食品领域分子模拟技术的基本原理,梳理了食品领域分子模拟技术常用的数据库和软件及其特点,综述了近几年分子模拟技术在食品安全、食品加工和贮藏、食品功能因子筛选及其机制研究领域中的应用研究进展。

人工智能与分子模拟在药物设计中的研究进展

随着现代药物研究的不断深入,传统计算机模拟已经不能满足未来药物设计实验的需求。分子模拟作为传统计算机模拟的经典技术之一,可以构造分析复杂的分子模型,研究分子运动的动态过程,但模拟结果受人为因素影响大,准确度较低。近年来,人工智能与分子模拟技术的融合成为药物设计研究的新方法。人工智能技术利用大数据筛选出对应的化合物进行分子模拟,并将模拟结果反馈给人工智能系统进行学习,不断优化人工神经网络。联用人工智能与分子模拟技术,提高了药物设计研究的效率,降低了人为因素对模拟结果的影响,增加了模拟结果的可信度。该文总结了当前国内外应用人工智能和分子模拟技术进行药物设计的研究成果,以期为未来药物研发从计算机辅助药物设计(CADD)向人工智能辅助药物研发(AIDD)的转变提供参考。

环氧氯丙烷改性Kevlar纳米纤维对不同橡胶热力学性能的影响:实验与分子模拟

使用环氧氯丙烷对Kevlar纳米纤维(KNFs)进行改性,然后用环氧氯丙烷改性Kevlar纳米纤维(m-KNFs)分别对丁苯橡胶(SBR)和羧基丁腈橡胶(XNBR)及SBR/XNBR进行增强,并通过实验与分子模拟相结合的方式探究了3种纳米复合材料的热力学性能。结果表明,m-KNFs对SBR、XNBR和SBR/XNBR均有很好的增强效果,其中m-KNFs与XNBR基体之间的作用最强,m-KNFs可以有效改善XNBR与SBR的相容性。

基于分子模拟的功能单体筛选用于毒死蜱分子印迹聚合物制备

以毒死蜱(Chlorpyrifos, CPF)为模板,采用Materials Studio分子模拟(Molecular simulation, MS)软件及紫外光谱法分析不同功能单体与模板分子间相互作用,并通过吸附实验验证最优功能单体。在测试的5种功能单体中,4-乙烯基苯甲酸(4-Vinylbenzoic acid, VBA)与CPF相互作用能最小(-12.063 3 kcal/mol),预组装所形成的复合物稳定性最好。吸附实验结果表明,以VBA为功能单体制备的MIPs相比于以甲基丙烯酸(MAA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸(AA)及丙烯酰胺(AM)为功能单体制备的MIPs拥有更优异的吸附容量,VBA与CPF物质的量比为1∶2时所制备的MIPs对CPF有高效的特异性识别能力。试验结果可为进一步研究其他类型农药分子印迹聚合物的吸附和识别机理提供理论基础。

基于分子模拟技术筛选具有潜在治疗非小细胞肺癌的ROS1激酶抑制化合物

目的基于分子模拟技术筛选具有潜在治疗非小细胞肺癌的ROS1激酶抑制化合物。方法本研究构建了肉瘤致癌因子ROS1受体及其抑制剂之间的药效团模型,通过化合物数据库筛选、分子对接、分子动力学模拟等方法,找到一种具有抑制ROS1功能的先导化合物,最后对该抑制剂的先导化合物与受体蛋白结合作用的模式进行了分析。结果筛选得到的75号化合物在与ROS1蛋白的分子动力学模拟过程中,显示出了比较稳定的相互作用。结论75号化合物可以作为潜在的抑制ROS1的先导化合物。

石英纳米孔中氦气与甲烷竞争扩散的分子模拟

氦气具有尺寸小、扩散和渗透能力强等特点,其独特的物理性质严重制约了氦气的聚集成藏。因此,深入揭示地质条件下氦气与甲烷的竞争扩散规律,是系统认识富氦天然气成藏机制的重要途径。首次采用分子模拟技术,构建了石英纳米狭缝-通道孔复合模型,探索了甲烷与氦气的混合气体在模型中的竞争扩散规律。分子模拟结果表明,甲烷对氦气的扩散有抑制作用,并且甲烷对吸附态氦气有较强的驱替能力;当氦气在混合气体中摩尔分数达90%时,游离态的氦分子可聚合形成直径更大的氦团簇,氦团簇的出现对氦气存储以及储氦库建设具有一定的启示。此外,当扩散通道孔的直径小于甲烷和氦气的动力学直径2倍时,甲烷和氦气无法从石英纳米通道扩散出去,此时分子间的排斥力很强,将阻止气体分子的进一步逸散,有利于氦气保存。研究结果提供了在原子分子水平下氦气与甲烷在石英纳米孔中的竞争逸散规律,为氦气的富集和保存机制研究提供了有用信息,并为氦气资源的勘探与开发提供了参考依据。

改性纳米二氧化硅对天然橡胶机械性能的影响:实验与分子模拟

分别使用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AMI)改性前与改性后的纳米二氧化硅(AMI-二氧化硅)对天然橡胶(NR)进行增强,并通过实验与分子模拟相结合的方式探究了2种NR纳米复合材料的力学性能和结合能。结果表明,AMI-二氧化硅对NR的增强效果更好;AMI-二氧化硅在NR中的分散性更好,有效接触面积更大,更有利于应力传递,因此AMI-二氧化硅/NR纳米复合材料的力学性能更好。