电解质溶液中胶体颗粒电泳迁移率的密度泛函理论研究

电泳技术是分离蛋白质和核酸的快速有效的方法，也是研究这些物质相互作用的重要手段之一。研究清楚电解质溶液中胶体迁移率与胶体本身和溶液条件之间的内在关系，对于蛋白质、核酸等生物大分子的分离工艺设计与优化等有着重要的科学意义。我们拟在申请人改进的硬球流体基本度量理论的基础上，使用由混合电解质原始平均球近似理论得到的超额Helmholtz自由能表达式，选择合适的静电项权函数，计入离子相关性对Helmholtz自由能泛函的贡献，提出能计算不同直径离子体系中胶体表面电势和离子浓度分布的新的密度泛函理论。然后将所建立的DFT与Liouville方程以及应力张量的一般式结合，建立起能够预测电解质溶液中胶体电泳迁移率的统计力学和流体力学理论，用于指导电泳法分离蛋白质和核酸等生物大分子，满足生物化工分离工艺设计以及人们对蛋白质和核酸在电场作用下运动的规律认识的需要。

带电粒子在电场作用下的电动现象(包括电泳和电渗流)以及固体表面的吸附与迁移对于蛋白质和核酸的快速有效分离，能源纳米材料的设计与合成有着重要的科学意义。本研究将提出的能计算离子体系中胶体表面电势和离子浓度分布的密度泛函理论(DFT)与Liouville方程以及应力张量的一般式结合，建立起了能够预测电解质溶液中胶体电泳迁移率的统计力学和流体力学理论，探讨了胶体直径、反离子价态和溶液离子强度等因素对胶体电泳迁移率的影响规律，确定了电解质溶液中胶体迁移率与胶体本身和溶液条件之间的内在关系。将DFT与Navier-Stokes方程结合，建立了能够预测电解质在带电膜孔中电渗流的数值计算方法，研究了膜孔表面电荷密度、电解质类型、主体相溶液浓度以及外加电场强度对电渗流速度分布的影响。我们建立的描述电动现象的理论，优于基于Poisson-Boltzmann方程的经典流体力学理论，其结果可用于指导电泳法分离蛋白质和核酸等生物大分子，满足生物化工分离工艺设计，同时也为纳滤膜分离电解质、重金属离子去除、海水淡化以及饮用水纯化等分离工艺提供了指导。另外，本项目验证了从头算密度泛函理论对于固体热力学性质预测的可靠性。利用分子动力学模拟和从头算密度泛函理论，研究了碱金属反离子对DNA 构象转变动力学的影响和分子筛对CO2和CO的吸附机理，获得了无水、半水和二水硫酸钙的晶体形貌，计算了镁等金属离子在半水硫酸钙晶面上吸附与替换的热力学稳定性，发现镁离子是半水硫酸钙的一维生长的最佳促进剂。对于碳原子在Cu(111)面上的吸附与成核的计算研究，揭示了气相沉积法合成石墨烯的机理。研究了锂离子在氮掺杂的石墨烯上的吸附与储存，发现不是所有的氮掺杂都会提高石墨烯作为锂离子阴极材料的性能，只有含空穴的氮掺杂石墨烯才会提高其电池容量。应用从头算密度泛函理论计算发现石墨方烯是一种具有电势高、充放电速度快、容量大的锂离子阴极材料，具有广阔的应用前景。本项目的研究成果，加深了人们对胶体和电解质离子的电动现象的理解，为能源纳米材料的设计与合成提供了可靠的参考信息，促进了化工热力学学科的科学进步。