基于分子动力学的天然水环境中纳米污染物相互作用机制研究

With the increasing development of nanotechnology, larger number of engineered nanomaterials will enter the aquatic environment directly or indirectly. Once released, the engineered nanomaterials maybe interact with environmental nanopollutants. Because of the unique characteristics of nanoscale materials(small size effect, surface effect, quantum size effect, macro-quantum tunnel effect), the engineered nanomaterials themselves and the untied particles with environmental nanopollutants will pose a new potential challenge to the aquatic environment. Molecular dynamics simulations can be used to quantificationally study the micro-interaction mechanisms of pollutants on atomic-level, which can't be realized by experiments. Molecular dynamics simulations, experimental and theoretical approaches are explored to investigate the processes of engineered nanomaterials aggregation and deposition, and elucidate the interaction mechanisms between the engineered nanoparticles and environmental nanopollutants. In addition, we will further research the adsorption mechanisms of nanoscale materials with the micron particles. The present stated work can provide a comprehensive understanding of nanoscale materials environmental fate and synergy potential impacts on aquatic environments，which ensure the aquatic environment security and promotes the sustainable development of nanotechnology.

随着纳米科技的发展，大量纳米材料会直接或间接进入水环境系统，与环境本底纳米污染物相互作用。由于纳米污染物特异理化性质(小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)，纳米材料与环境本底纳米污染物结合体的潜在危害对水环境安全提出了新的挑战。分子动力学模拟是从原子分子水平探索物质微观作用本质的有效手段，弥补了现有实验技术不能从原子分子水平上，定量揭示水环境中纳米物质动态变化特征及相互作用机理的不足。本课题针对天然水环境中典型纳米材料与环境本底纳米污染物，将分子动力学模拟同实验研究、理论模型结合，研究纳米材料在水环境中的聚集、沉积过程、纳米材料与环境本底纳米污染物的相互作用机理。并在此基础上，揭示纳米污染物在微米级颗粒物表面的吸附机理。此研究从本质上考察了纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性和纳米科技可持续发展奠定研究基础。

随着纳米技术的蓬勃发展，纳米产品在生产、使用及丢弃的过程中会不可避免的进入到水环境及水处理系统中，为确保纳米科技作为可持续发展的有利工具而非环境的负担，揭示纳米物质在水环境和水处理系统中的动态行为势在必行。因实验手段在时空尺度上的限制性，无法在原子水平上及纳秒、微秒尺度上反映纳米颗粒的微观动态变化过程，因而本项目引入分子动力学模拟、布朗动力学模拟方法，并结合实验方法及理论分析，取长补短，从动力学特征表达、溶液水化学条件及微观界面结构角度研究纳米颗粒的环境行为。.基于分子动力学模拟，定量原子水平上揭示纳米颗粒聚集微观界面作用机制，可知粒径对聚集过程、聚集结构及聚集机制均有影响。基于布朗动力学模拟，引入DLVO理论描述颗粒-颗粒之间相互作用力，通过考察聚集体数目及聚集体尺寸，定量揭示不同粒径及水化学条件下下，纳米颗粒之间的动态聚集过程，基于布朗动力学模拟，引入DLVO理论描述颗粒-表面之间相互作用力，通过考察沉积体个数及沉积体结构，定量揭示不同粒径及水化学条件下纳米颗粒之间的动态沉积过程，基于实验手段，辅以DLVO理论及沉积理论，探讨水化学条件对纳米颗粒聚集和沉积过程的影响机制。.基于分子动力学模拟，TiO2纳米颗粒与TNB相互作用微观界面作用机制。水分子及阳离子均对TiO2纳米颗粒同TNB的相互作用过程产生介导作用。H2O存在时，TNB通过Hphenol及HCOH与OTiO2形成直接氢键作用，且TNB呈“马靴”结构吸附于TiO2纳米颗粒表面。Na+、Ca2+离子存在下，TNB通过HCOH与OTiO2成直接氢键作用，且TNB呈“铰链”形式吸附于TiO2纳米颗粒表面。基于实验手段，探讨了腐殖酸与十二烷基苯磺酸钠与纳米TiO2相互作用过程，其存在均会抑制纳米TiO2颗粒的聚集，且可将其相互作用过程分为接近、聚集和强相互作用三步骤。.基于分子动力学模拟，研究TiO2纳米颗粒在SiO2表面的吸附过程微观界面作用机制。SiO2表面水分子层可阻碍TiO2纳米颗粒在表面直接键结。相反阳离子介导作用在TiO2纳米颗粒与SiO2表面的沉积过程中表现的并不明显。