亲水抗污材料摩擦特性的非平衡态分子模拟研究

Hydrophilic antifouling materials have superb low-friction properties, thus are highly desired in many applications including the coatings for ship hull and artificial joints. Researches have shown that there is a strong correlation between the tribological properties and the hydration of the materials. To this end, this work will focus on the hydration of the materials and divided their hydration nature into ionic hydrogen-bonded hydration and ionic hydration. Molecular models will be built for the studies on the tribological phenomena. Using non-equilibrium molecular dynamics as the major approach, we will investigate the hydration of the materials as well as the effects of lubricants on the hydration. The structure and dynamics of water molecules inside the hydration layer of the materials will also be studied. The fundamental mechanism that why both hydrogen-bonded hydration and ionic hydration can lead to low friction will be disclosed in micro-scale. Moreover, the possibly different effects of lubricants on these two types of antifouling materials will be explored. In addition, we will discuss the correlation between the structure variation of hydration groups inside the materials and friction. The understanding obtained from this study can be used to find the key to the molecular design of novel low friction antifouling materials. It can also provide theoretical support for the selection of optimal lubricant for the specific antifouling material used in tribological-related applications.

亲水抗污材料有着优异的低摩擦特性,其在船壳涂料和人工关节等方面有着广泛的应用前景。研究表明，它的低摩擦特性与其水合层密切相关。因此，本研究将以亲水抗污材料的水合特征为切入点，将其分为氢键型和离子型两大类，分别建立微观摩擦过程的分子模型，以非平衡态分子动力学模拟方法为主要手段，分析摩擦过程中材料和水分子的结构和动态行为，在微观尺度上揭示氢键型或离子型亲水抗污材料均可表现出优异低摩擦特性的根本原因，并在此基础上，阐明重要润滑成分对这两类亲水抗污材料摩擦过程的影响，分析亲水抗污材料结构差异与表面摩擦的关系，从而明确新型低摩擦亲水抗污材料设计的关键，同时为特定亲水抗污材料选择合适的润滑溶液提供理论依据。

现阶段使用分子动力学模拟研究受限系统中水的性质依然受限于缺少有效的模型，在这项工作中，我们提出并研究了一个简单但有效的新模型，用于研究受限空间中的水，模型使用了标准的LAMMPS通用分子模拟程序包，无需做任何额外的修改。获得与实验研究近似的受限空间中水的有关性质。有效解决了摩擦过程分子模拟的一大难点，通过引入大规模并行计算，可使得模拟计算效率大为提高。该模型可以作为一种经济有效的方法来探索分子水平的受限系统中的水的性质。原则上，该模型也应适用于其他受限系统中的其他流体。本研究还表明自组装单分子膜表面(OEG-SAM)水润滑摩擦的特性与磷酸胆碱自组装单分子膜（PC-SAM）的摩擦特性显著不同，这一不同主要取决于水合层的特征。..本研究的过程还发现了一些新的研究点，并取得了重要研究成果。本研究有效阐释了脉冲充电抑制锂金属电池枝晶生长的分子机制，基于OPLS-AA力场的全原子分子动力学模拟结果表明，脉冲充电频率和幅值可有效调控的锂离子溶剂化结构特性，进而显著影响锂离子的扩散。扫描电镜(SEM)结果则显示，相较于直流充电，脉冲充电极大改善了锂离子在电极表面的沉积，降低了锂枝晶生长的可能性。研究还表明，最优脉冲比和脉冲延续时间Ton均为调控脉冲充电过程的关键参数，它们的取值与锂离子在电解质中的溶剂化结构有关，主要由电解质本身性质决定。Ton一定，延长脉冲间隙时间Toff并不一定能相应提高电池寿命。在此基础上设计出的采用特定脉冲电流为锂金属电池充电的方法，可显著抑制锂金属负极在充电过程中枝晶的生长，大幅延长了锂金属电池的寿命。与直流充电相比，采用特定脉冲充电的实验电池寿命可以增加一倍以上。