用分子模拟预测表面活性剂表面浓度的方法研究

表面活性剂在表面的结构决定了其性能，而表征表面结构的一个基本指标是表面活性剂的表面浓度。由于表面浓度是由包含溶液、界面和胶束的多相平衡决定的，用常规的分子模拟方法无法直接预测。已有的分子模拟均依赖于实验测定的表面浓度，不能进行第一原理的预测，失去了分子设计的意义。如何预测表面活性剂的表面浓度成为制约用分子模拟方法从第一原理研究表面活性剂的瓶颈问题。本项目计划以多相体系的相平衡为理论基础，开发准确描述表面活性剂分子的力场，采用热力学积分方法计算表面活性剂分子在溶液和界面的化学位，寻找相平衡条件，以此确定表面浓度。研究目标是建立不依赖实验数据直接预测表面活性剂的表面浓度的方法。其成功实施对采用分子模拟方法预测表面性质、理解表面现象的本质、以及根据需求筛选表面活性剂、实现分子设计有重要意义。提出的研究方案有前期工作的基础。

本项目运用直接模拟和自由能计算的方法研究了表面活性剂体系的相平衡及表面活性剂分子的自组装过程，预测了表面活性剂的表面浓度、表面张力及临界胶束浓度。在基金的支持下，完成了预定目标，解决了本项目的关键问题。主要研究内容包括：1）开发了适用于有机分子和表面活性剂分子的全原子TEAM力场，在此基础上，开发和优化了具有可迁移性的粗粒化力场；2）通过直接模拟方法成功预测了离子型表面活性剂分子的表面浓度和临界胶束浓度，考察了钙离子对表面活性剂分子胶束的影响，研究了牛顿黑膜的破裂机理；3）优化了混合体系自由能计算的方法，通过自由能计算预测了非离子表面活性剂分子的表面浓度和临界胶束浓度。四年中共发表论文26篇，待发表4篇。