水/石墨烯界面离子吸附的分子动力学模拟:力场参数优化与吸附机制

受限在二维纳米孔道的盐溶液的研究对离子输运与筛分、超级电容等领域具有重要意义,而分子动力学(MD)模拟已成为其中重要的手段.但通常MD模拟力场却很难准确描述石墨烯等二维材料与离子之间的离子-π相互作用;溶剂效应对离子在材料表面吸附的调控作用也缺乏深入研究.针对Li~+, Na~+, K~+, Mg~(2+), Ca~(2+), Cl~-离子与石墨烯材料,本文基于平均力势(PMF)发展了模拟它们之间相互作用的力场参数.使用该力场模拟的(溶液中)石墨烯表面离子吸附自由能与量子化学计算结果一致,验证了其准确性.进一步发现离子水合半径、离子接近石墨烯时水合数的拐点、 PMFwat(溶剂对离子吸附在石墨烯表面PMF的贡献)极小值位置及石墨烯表面水层位置之间有明显关联.在此基础上阐明了离子脱水及石墨烯表面水层状分布对PMFwat的调控作用.模拟了1 mol/L盐溶液/石墨烯界面体系.以上体系使用通常力场参数模拟时,离子在石墨烯表面吸附都很微弱,这表明离子-π相互作用对准确模拟盐溶液-石墨烯体系不可或缺.

生物相容性金属-有机骨架材料负载药物的分子模拟

采用巨正则蒙特卡罗方法,对新型卤代羟基烷麻醉药——异氟醚在金属-有机骨架材料(MOFs)中的负载性能进行了模拟研究.选用含Fe,Mg和Ti等金属中心的5种生物相容性良好的MOFs进行研究,结果表明,在常压下,孔体积较大的材料对异氟醚的负载量较大,且Fe-MIL-101负载量最高,可负载相当于自身质量2倍的药物.通过径向分布函数及构型分析发现,药物负载的主要作用力有氢键和金属-药物相互作用.等量吸附能分析显示,Fe-MIL-53和Mg-MOF-74吸附能较强,有利于延长麻醉药持续释放的时间,适用于长时间麻醉手术或术后止痛;而Ti-KUMOF-1,Fe-MIL-100和Fe-MIL-101则在初期释放大量药物,后期释放量大幅度下降,适用于急诊治疗.

甲基异丁基甲酮-苯酚-邻苯二酚-水液液相平衡数据测定与关联

为获得工业操作温度下甲基异丁基甲酮萃取高浓煤化工含酚废水中酚类物质及溶剂回收的过程模拟和设计基础数据,测定了在常压下、70℃时甲基异丁基甲酮-苯酚-邻苯二酚-水四元体系的液液相平衡数据,并用Hand方程和Othmer-Tobias方程验证了数据一致性.文中还利用NRTL和UNIQUAC模型对所测实验数据进行热力学关联,采用模拟软件回归得到二元交互作用参数.结果表明,两种模型关联计算得到的计算值与实验值吻合良好,模型计算的相对均方根偏差均小于0.02,说明两个模型回归得到的二元交互作用参数均能对实验数据进行精确预测.因此无论是从防堵塞还是从提高萃取效率角度,甲基异丁基甲酮在较高温度下的萃取应用均具有很好的工业价值.

耗散粒子动力学模拟Nafion-[Bmim][TfO]离子液体复合膜的介观结构

采用耗散粒子动力学方法模拟研究了离子液体的含量和温度对Nafion-[Bmim][Tf O]离子液体复合膜的介观结构的影响。模拟发现了微相分离现象。对不同条件下的微相分离形成的孔径分析表明,随着离子液体在复合膜中含量的增加,离子液体在膜中的聚集状态由分散的团簇转变为连续的通道,但过高的含量会产生腔室结构。随着温度的上升,离子液体通道的结构变得更加复杂,原有的腔室结构转化为通道的新支路,即高温下离子液体通道变得更加连通。界面分布几率和径向分布函数的计算结果表明,离子液体的阳离子烷基链嵌进Nafion主链中,侧链磺酸基团分布的变化直接影响咪唑基团和阴离子在微相界面的分布。本工作在介观水平上探索了Nafion-离子液体复合膜结构,可为开发高温聚电解质燃料电池材料提供一定的参考。

Materials Studio软件在分子模拟课程教学中的应用

分子模拟是一门理论性较强的课程,针对分子模拟涉及概念抽象、理论性强等特点,将Materials Studio分子模拟软件引入到具体的教学过程中,以便让学生有更直观的认识。简要介绍了分子模拟理论方法以及Materials Studio软件在气体吸附方面的应用和计算分析。实践表明,使用Materials Studio软件辅助教学使学生对分子模拟的理解更深刻,从而显著改善了课堂教学效果。

PAMAM树状大分子负载和释放阿霉素的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学模拟方法研究了药物输送载体聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子对抗癌药物阿霉素(DOX)的负载和释放行为。构建了PAMAM树状大分子的粗粒化模型,该模型能准确地重现树状大分子的构象性质。考察了PAMAM树状大分子代数(G)对DOX负载以及pH环境对DOX释放的影响。模拟结果表明,PAMAM树状大分子主要通过疏水作用将DOX包封于内部空腔,G6和G7 PAMAM树状大分子的负载能力较强,因为其孔隙率较高,内部有更多的疏水空腔。在低pH环境下,PAMAM树状大分子结构发生变化,DOX分子能快速地从其中释放,主要原因是PAMAM的伯胺、叔胺和DOX伯胺发生质子化,质子化基团间的静电排斥作用使得PAMAM树状大分子发生溶胀,导致其内部空腔暴露,促进了DOX的释放。本工作可以为基于树状大分子的药物输送体系的设计和优化提供参考。

木质纤维生物质半纤维素分子模拟应用研究进展

木质纤维生物质资源是重要的可再生生物质资源,主要包含纤维素、半纤维素和木质素。半纤维素含量仅次于纤维素,是一种丰富、可再生的植物资源,其可水解制备重要化学品以及改性制备多功能材料。本文综述了生物质半纤维素分子模拟应用研究进展,从半纤维素大分子形态及其与纤维素结合方式的分子模拟研究和半纤维素制备化学品及材料的分子模拟研究2个方面进行阐述,从模拟结果可以看出半纤维素在细胞壁中与纤维素和木质素的相互作用及其本身的大分子形态对木质纤维生物质三大素的提取利用具有显著影响。分子模拟有利于理解过程机理,对反应效率的提高具有重要理论指导意义。最后对分子模拟在半纤维素研究的发展应用进行了展望,指出目前半纤维素分子模拟的空白领域,主要包括半纤维素液化生产生物油、木糖异构化生产木酮糖、半纤维素与木质素之间的结合方式以及其他的半纤维素基材料等,这些有待进一步的探索与研究。

甲基异丙基甲酮-苯酚-对苯二酚-水的液液相平衡数据测定、模型关联及萃取过程模拟

液液相平衡测定为溶剂萃取及回收的准确模拟、设计和过程开发提供基础数据。以甲基异丙基甲酮为萃取剂,在处理高浓煤化工含酚废水的三元液液相平衡萃取基础上,选定其中典型单元酚苯酚和多元酚对苯二酚为代表物,测定甲基异丙基甲酮-苯酚-对苯二酚-水在常压40℃下的液液相平衡数据。采用NRTL和UNIQUAC活度系数模型对实验数据进行热力学关联,回归得到该四元体系的二元交互作用参数。结果表明该模型可以很好地关联实验数据,两种模型的相对均方根偏差分别小于0.190%和0.266%。进一步将得到的二元交互参数导入流程模拟系统,对萃取单元模块进行计算。当萃取温度40℃、萃取级数5级、相比1:7.72时,甲基异丙基甲酮能将总酚12700 mg?L^(-1),多元酚4250 mg?L^(-1)的含酚废水的酚浓度分别降低至300 mg?L^(-1)和299 mg?L^(-1)以下。

分子动力学模拟多巴在自组装膜上的黏附性

为了更好地理解贻贝在表面的黏附机理,实现水下胶黏,采用分子动力学方法研究了多巴在自组装膜上的黏附性:采用伞形取样和加权柱状图分析方法计算了多巴在不同自组装膜表面的黏附自由能,使用拉伸分子动力学模拟研究了多巴在不同自组装膜表面上黏附后的脱附力.结果表明,多巴在带负电的羧基自组装膜上的黏附能比在带正电的氨基自组装膜上的大,多巴更容易黏附到带负电表面;多巴在带电表面的黏附能比未带电表面的黏附能更强,表明在带电表面黏附更稳定.进一步分析了多巴在不同表面的取向分布,发现多巴与不同表面相互作用的方式不同:与疏水表面主要通过苯环相互作用;与亲水表面主要通过羟基相互作用;与负电表面主要通过氨基相互作用;与正电表面主要通过羧基相互作用.通过模拟比较了多巴在不同自组装膜上的脱附力,发现多巴在带电表面的脱附力比在未带电表面的大,与黏附能的趋势一致.对比4种非带电表面的脱附力,发现多巴在疏水性甲基自组装膜表面的脱附力最大,黏附更稳定,随着表面疏水性的增加,脱附力增大,黏附稳定性增强.本工作可为研发新型水下胶黏剂提供理论指导.

多级孔金属-有机骨架材料在多相催化方面的研究进展

兼具微孔、介孔和大孔结构的多级孔金属-有机骨架(H-MOFs)是近年来发展迅猛的一类多孔晶体材料,在诸多领域尤其是多相催化方面具有广泛的应用前景.本文综述了近年来H-MOFs在多相催化领域的研究进展,包括氧化反应、加氢反应和缩合反应等.重点介绍了H-MOFs多级孔结构的多功能性,以及其工业适用性,如催化活性、选择性、稳定性等.最后展望了H-MOFs在多相催化领域的应用前景、面临的挑战以及待解决的问题.

金属-有机骨架材料水相合成路线研究进展

金属-有机骨架材料具有优异的物理化学性质,因而在气体储存、吸附分离、药物传输、超级电容器、催化等领域具有广阔的应用前景.然而大多数金属-有机骨架材料的合成通常需要用到大量的有机溶剂,而这些有机溶剂的使用不仅会增加金属-有机骨架材料的生产成本,且极易对环境造成影响.基于此,理想的合成路线是用水代替有害的有机溶剂,以降低成本及减轻其对环境的影响.本文总结了近期金属-有机骨架材料水相合成路线的研究进展,重点概括了不同水相合成法制备金属-有机骨架材料的机理,并分析了各种方法的优缺点.此外,还讨论了当前绿色且低成本工业化生产金属-有机骨架材料存在的问题以及未来可能的发展方向.

纳米孔生物分子检测研究

纳米孔单分子检测技术是一种集操作简单、灵敏度高、检测速度快、无需标记等优点的传感检测技术,广泛应用于蛋白质检测、基因测序和标志物检测等领域。基因测序的费用、灵敏度和精度是该检测技术的发展中亟待解决的主要问题,而开发新型的纳米孔材料则是解决这些问题的关键手段。本文从纳米孔材料的选择和设计角度出发,综述了三种不同的纳米孔,即蛋白质等生物纳米孔、固态纳米孔和新型二维材料纳米孔在生物分子检测方面的应用现状,并比较了生物纳米孔与固态纳米孔的差别。本文也重点阐述了二维材料纳米孔在生物分子检测中的实验和模拟研究进展。最后,对纳米孔检测技术的发展前景进行了展望。

块状金属-有机骨架材料合成研究进展

近年来,金属-有机骨架材料在制备方面取得了重要进展,然而大多数制得的金属-有机骨架材料为分散微晶粉末形态,在工业应用中易导致粉尘、磨损、堵塞以及压降等一系列问题.块状金属-有机骨架材料能克服这些缺陷,因而表现出了许多优良特性.本综述中,我们介绍了基于不同金属中心的块状金属-有机骨架材料的最新进展,并简要介绍了一些突出例子.此外,本文还分析了块状金属-有机骨架材料在大规模生产和工业应用中面临的挑战和前景.