离子型表面活性剂水溶液表面分子结构的研究- - 实验测定与分子动力学模拟

For the sake of a deep insight into the surface structure of aqueous solutions of ionic surfactants, in the present project we will employ the experimental instruments, which include microscopic methods such as ellipsometer and neutral impact collision scattering spectroscopy (NICISS), to investigate the surface properties and molecular structure of the solution surface, and will utilize the molecular dynamics simulation as another tool to map the ionic distributions within the adsorption layer. After that, combining the results achieved from those experiments and simulations, we can obtain how the counter-ions affect the adsorption behaviours of the surfactant molecules. Furthermore, the mechanism and the causes which lead to those findings can be revealed. Based on those achievements, we intend to build a new theoretical adsorption model, which would be more general and applicable, and thus, can be used to describe the morelecular structure of adsorption layer more clearly and reasonably. This investigation will benefit the research on the phenomena happening at the air/liquid and liquid/liquid interfaces, and of course, will also be useful to the development of new surfactants and relevant techniques within the field of surface science.

应用表面电势测定仪和表面张力仪，结合测定表面微观结构的椭圆偏振光谱仪和离子散射谱仪，测定离子型表面活性剂水溶液的宏观表面性质以及微观吸附层内正负离子各自的分布图谱，并利用分子动力学模拟方法计算正、负离子与溶剂分子在吸附层内的分布图象,研究离子型表面活性剂水溶液的表面分子结构。通过分析实验数据和模拟结果，在分子水平上对溶液表面结构进行解析，得到溶液表面的微观结构谱图（正负离子各自的分布图象，表面活性离子与溶剂分子的表面构象与偶极矩的定向分布等），探讨反离子对表面活性剂吸附行为的影响及作用机理，建立更具物理意义、更能准确描述实际情况且应用范围更普遍的吸附理论。本研究的主要亮点在于给出解离的正负离子与溶剂各自的表面分布，使人们能够直接"看到"溶液的表面结构，以解决正负离子在表面层中空间分布不可解析的难点，对发生在液体表面的吸附现象的研究提供实验与理论依据。

本项目应用经典的研究方法和能直接测定溶液表面微观结构的先进现代分析谱仪，结合计算机分子动力学模拟，对离子型表面活性剂溶液的表面结构进行系统深入地研究，解决现存的离子型表面活性剂溶液表面吸附模型中存在的问题, 建立更符合实际情况、适用范围更广泛的理论模型.. 在研究中，深入研究了相关离子型表面活性剂水溶液与甲酰胺溶液的表面分子结构，取得重要的研究成果：(1) 测定了十六烷基三甲基氯化铵与十六烷基三甲基溴化铵的水溶液表面电势与表面张力， 建立了表面吸附量与表面电势的关系， 发现相同表面浓度下两溶液表面电势不同，反离子对表面双电层结构具有重要影响；（2）直接测定了十二烷基硫酸钠与十二烷基硫酸铯甲酰胺溶液的表面过剩与表面浓度，表征了双电层结构，发现表面张力与表面浓度具有线性关系，而且与表面活性剂的反离子无关；（3） 利用分子动力学模拟与中性粒子碰撞离子散射能谱仪研究了十二烷基硫酸钠与十二烷基硫酸铯甲酰胺溶液， 同时模拟了水溶液的表面双电层结构，还考察了溶剂的影响。模拟计算与实验测定的结果吻合的比较好， 并且结果显示，表面活性离子的定向排列仅取决于表面浓度而与反离子的类型没有关。. 综合研究结果， 得到了关于离子型表面活性剂溶液表面结构的重要结论：反离子对离子型表面活性剂溶液表面双电层结构具有显著影响，但是在表面活性离子的表面浓度确定的情况下，反离子对表面活性离子的表面排列定向不产生影响；离子型表面活性剂溶液的表面张力取决于表面活性离子的表面浓度，而与反离子的性质无关，反离子对表面结构的影响通过其对表面活性离子的吸附量的改变而实现。. 研究在分子水平上刻画了离子型表面活性剂溶液的表面结构. 取得的研究成果，比如离子型表面活性剂溶液表面张力及其长链疏水离子在溶液表面的定向排列仅取决于其表面浓度而与反离子无关，不仅对于溶液表面热力学研究的进一步发展提供了坚实的实验基础，而且对于后续吸附理论模型的发展以及新型表面活性剂的开发具有理论指导意义。