纳米颗粒界面吸附及自组装非平衡动力学特性

Nanoparticle adsorbtion and self-assembly possess extensive applications involving water purificaiton, microencapsulation, material fabricaiton, solar cataliytic hydrogeneration and surface plasmon solar cells. The appreciation for nanoscale effcts on nanoparticle adsorbtion and self-assembly need to be widened and deepened. The limited knowledge on this subject arises two challenges: how to avoid energy barrier and how to pridect and tune the two dimensional pattern of the nanoparticle self-assembly. The project proposes direct numerical simulation (DNS), in which the key source terms comes from the molecular/meso simulation for line tension, pinning effect, symmetry breaking disjoining pressure, lateral capillary force and Brownian force. The accurate describtion of series of nanoscale effects ensure the DNS model reflect their physics. Three research aspects are proposed: (1) characteristics of non-equilibruim dynamics for single particle, (2) characteristics of non-equilibruim dynamics for multi particles, (3)characteristics of non-equilibruim dynamics for particle self-assembly and patterns.The potential results provide guidance for optimizing the nanoparticle self-assembly pattern with optimized coordination numbers and fractal dimentions.

纳米颗粒在相界面上的吸附及自组装是广泛存在于水净化、微胶囊包裹、太阳能光催化制氢和等离激元共振太阳能电池等领域的物理过程。目前，对控制纳米颗粒吸附及自组装过程的纳尺度效应的认识十分有限，使得最新研究发现的两个挑战性难题得不到有效解决：（1）纳米颗粒吸附过程出现“能量壁垒”来源不清楚（2）纳米颗粒界面自组装二维构型的预测和调控机理不清晰。针对这个现状，本项目采用直接数值模拟跨尺度模型，该模型中关键源项来源于对线张力、钉扎力、对称性破缺分离压力、横向毛细力和分子热运动力等纳尺度效应的分子模拟和介观模拟，对关键纳尺度效应描述精确，保证直接数值模型符合物理机理。开展三个方面的研究内容：（1）单颗粒吸附非平衡动力学特性研究，（2）多颗粒吸附非平衡动力学特性研究，（3）颗粒相界面自组装非平衡动力学特性及空间构型的研究。研究结果对获得最优配位数和分形维数的纳米颗粒自组装体具有重要的学术价值和指导意义

纳米颗粒在相界面上的吸附及自组装是广泛存在于乳化、水净化、微胶囊包裹、材料制备、太阳能光催化制氢和等离激元共振太阳能电池等领域的物理过程。研究内容包括：单颗粒吸附非平衡动力学特性研究，（2）多颗粒吸附非平衡动力学特性研究，（3）颗粒相界面自组装非平衡动力学特性及空间构型研究。.项目针对三个研究内容发展了分子尺度数值模型4套，介观尺度数值模型2套，宏观尺度直接数值模拟自编程序1套（30000条程序行）。.研究结果如下：（1）提出了具有超疏水特性的倒三角形纳米结构，针对亲疏水特性，开发了纳观分子模型1，研发成功向前通量（FFS）高级采样算法，计算获得了从Cassie态到Wenzel态的过渡路径和自由能壁垒；（2）建立了介观尺度分子模型2，DPD模型，获得了单颗粒吸附动力学特性，研发成功伞形抽样高级采样算法，发现DPD模型不适合用来计算单颗粒吸附过程的自由能壁垒，但是，在计算多颗粒界面自组装构型以及对油水界面机械性能的相互影响方面具有独特优势，发现颗粒间相互作用能够显著减小界面张力；（3）建立了纳观尺度分子模型2和3，能够准确捕捉颗粒界面吸附动力学特征，发现钉扎效应、粘滞效应是颗粒能够驻留油水界面的重要原因；（4）建立了纳观尺度分子模型4，发现颗粒间溶剂化力是调控颗粒自组装弛豫过程的重要因素，颗粒自组装过程的弛豫来源于间隙内水分子骨架结构的形成和破碎，首次发现弛豫特征时间为200ps，氢键寿命特征时间为1.5ps；（5）研发成功大型直接数值模拟模拟DNS程序，鉴别了颗粒动力学不稳定的5种类型，获得了动力学不稳定性图谱；（6）研发成功介观尺度分子模型1，获得颗粒自组装构型，发现调控颗粒自组装构型的重要机理是颗粒动力学自由度，各向异性颗粒比同性颗粒多了3个旋转自由度，能够实现涨落耗散能-动能-颗粒间势能的能量闭环转换，首次发现各向异性的自由能“牙根状”图谱，以及各向同性颗粒的“瀑布状”图谱，“牙根状”自由能壁垒上升平缓，颗粒易于在团聚与离散两种状态之间转换，这些发现为颗粒自组装优化原则提供理论支持。.发表SCI 收录论文5篇，ISTP收录论文1篇，CSCD收录论文1篇，会议论文3篇；发明专利实审1项，实用新型授权1项；培养研究生8人，毕业3人；参加国际学术会议2次，做口头报告；参加国内学术会议4人次，做口头报告3次，分会场特邀报告1次。