模板诱导有机发光小分子定位沉积的分子动力学模拟

Site-selective patterning of organic luminescent molecules with ordered micro- and nanoscopic features is of great importance due to its potential applications in various areas. In recent years, the self-assembled templates which can be used to pattern organic luminescent have attracted attention. However, further work has to be carried out to understand the mechanisms. .Molecular dynamics (MD) simulation can be used to observe the experimental phenomena at a molecular level and provide theoretical explanations on the mechanisms. This project will be performed to investigate the mechanisms of the site-selective patterning of luminescent molecules systematically, using MD method. First, the force field will be modified by adding the coupling interaction. Then, all-atomic molecular dynamics simulation will be performed to investigate the site-selective deposition of organic luminescent molecules onto the self-assembled templates. The diffusion and nucleation of the luminescent molecules along with the effect of different self-assembled templates on the site-selective deposition will be discussed. Finally, the free energy perturbation method will be used to calculate the interaction energy between the luminescent molecules and the different sites of the template, which can help to understand the mechanisms. .The performance of this project will be useful to understand the adsorption structure and the mechanisms from a microscopic view. It can also provide theoretical guidance for design and synthesis of new functional materials in experiments.

微纳尺度的有机发光小分子的图案具有广泛的应用。近年来，利用模板诱导有机发光小分子的自组装倍受关注。但对于发光小分子在模板上的定位沉积机理仍不明确，需要在理论上作出合理的解释和说明。分子模拟方法可以从分子水平上探究实验现象，并对发光分子在自组装膜上的定位沉积提供合理的机理解释。.本项目主要通过分子动力学方法对模板诱导有机发光小分子的作用机理进行系统的研究，主要研究内容包括：构建含有耦合项的分子力场；采用分子动力学方法模拟模板对有机发光分子的选择性吸附现象，考察发光分子在模板上的迁移和聚集行为，讨论模板性质对吸附发光分子的影响；应用自由能微扰方法计算发光分子与基底不同位点之间的结合作用能，揭示自组装膜选择性吸附发光分子的机理。本项目的开展有助于了解微观吸附结构及选择性吸附机理，为设计合成新的功能材料提供理论依据。

在本项目的资助下，我们通过分子动力学方法对模板诱导有机发光小分子的作用机理进行了系统的研究，重点采用拉伸分子动力学方法计算发光分子与模板基底的结合作用能，揭示自组装膜选择性吸附发光分子的机理。此外，在本项目的基础上，将拉伸分子动力学方法应用在研究表面活性剂驱油机理方面，通过计算油滴在纳米孔道内迁移过程的自由能变化为驱油实验提供微观信息。我们按照项目计划开展了一系列的研究工作，主要的研究内容包括：采用平衡分子动力学和拉伸分子动力学模拟方法研究了模板诱导有机发光小分子苝（perylene）和3(5)-(9-蒽基)吡唑(ANP) 在自组装膜上的选择性沉积, 并利用伞形取样方法和加权柱状图分析法计算了沉积过程的均力势. 模拟中以二氧化硅为底板分别构筑两种不同密度的烷烃链自组装膜模板, 即低密度的液体扩展相和高密度的液体压缩相. 平衡分子动力学结果显示: 发光小分子容易沉积至低密度的液体扩展相中, 难以沉积至高密度的液体压缩相中. 拉伸分子动力学结果表明: 当发光小分子沉积至液体压缩相表面时, 在进入烷烃膜时遇到较大阻力, 因而不易进入到烷烃链单层膜中; 而发光小分子在进入液体扩展相的过程中受到的阻力较小. 通过比较这两种不同密度自组装膜与有机发光小分子之间的结合自由能, 发现有机发光小分子进入液体压缩相的能垒较高, 而有机发光小分子与液体扩展相结合更加稳定, 导致有机发光小分子在不同密度的模板上具有选择吸附性.所得模拟结论与实验现象一致, 从在分子水平上为实验提供了更加丰富的微观信息. 本项目的实施为设计合成新的功能材料提供一定的理论依据。采用拉伸分子动力学方法在纳米尺度上研究了油滴在二氧化硅孔道内的剥离过程，以模拟驱油实验中表面活性剂对岩石表面的润湿反转。首先根据文献报道构建合理的原油组分，其次分别采用纯水和阳离子表面活性剂溶液作为驱替液对油滴进行剥离，模拟结果表明表面活性剂对油滴的剥离起到非常关键的作用。通过拉伸分子动力学方法计算了油滴剥离过程的自由能变化，揭示了表面活性剂可以降低油滴剥离过程的自由能，从而使驱油过程更容易实现。本项目实施以来，在本领域学术期刊发表或接收4篇标注有本项目资助的论文，基本完成了预期研究目标。