表面极性对于纳米材料溶解性影响的模拟研究

With the rapid growth of the applications of nanomaterial in many fields, the study about the solubility of nanomaterials becomes more and more important. The surface polarity is commonly considered an important factor that affect the solubility of nanomatertials. The effects of surface polarity on the characteristics of solvent that around the solute, i.e. the solvation shell, are very complex. While the characteristics of the solvation shells are key to understanding the mechanisms of solubility of namomaterials. This brings tremendous challenges for the study of the solubility of a given nanomaterial in the systematic way and the discussion about the governing mechanism. The method of molecular simulation can provide information that cannot be obtained through the experiment methods. Up to now, there are very few simulation studies on the solubility and the characteristics of solvation shells of nanomaterial with polar surface in water and organic solvents. Also there is almost no study on the solubility of polar nanomaterial in atomic scale. In this project we plan to focus on the impacts of surface polarity of nanoparticles on the characteristics of solvation shells and solubility systematically through the method of classic molecular dynamics method and using the molecule of C60 as the model system. And further investigate the key factors that impact the solubility of nanomaterial. This project will lay the foundations for the understanding the solubility mechanisms and the enhancement of solubility of nanomaterial.

随着纳米材料在诸多领域的广泛应用，关于纳米材料溶解性的研究变得日益重要。表面极性被认为是影响材料溶解性的重要因素。纳米颗粒的表面极性对其周围的溶剂分子（即溶剂壳层（solvation shell））的性质的影响非常复杂，而溶剂壳层的性质是理解纳米材料溶解性微观机制的关键，这为系统研究极性纳米材料的溶解性及相关物理化学规律带来很多挑战。分子模拟的方法可以提供实验上无法或很难获得的重要信息。目前，国际上采用分子模拟的方法对极性纳米材料在水及有机溶剂中的溶解性及其溶剂壳层性质的研究还非常少，特别是从原子尺度理解其溶解性规律的研究还几乎没有。本项目拟采用经典分子动力学方法，利用C60分子作为模型系统，系统地研究表面极性对纳米颗粒溶剂壳层性质和溶解性的影响规律，并进一步在原子尺度探索决定纳米材料溶解性的关键因素。此研究将为理解纳米颗粒的溶解性机制和提高纳米材料溶解度的途径这两个重要科学问题奠定基础。

纳米材料如今已经被广泛应用于许多生物医学领域。鉴于生物兼容性的要求，需要纳米材料具有比较好的水溶性。然而，许多非极性纳米材料的比较差的水溶性限制了它们的应用。这往往归因于它们的疏水表面。为了提高它们的水溶性，人们在疏水纳米颗粒上引入亲水官能团来增强溶质-溶剂间的相互作用。然而，人们通过这种办法在引入表面极性的同时也改变了纳米颗粒的表面形貌，并不能得到单纯的表面极性的变化是如何具体地影响纳米颗粒的水溶性的。通过本项目的资助，我们以C60作为模型系统，采用分子动力学的方法研究了表面极性对于纳米材料溶解性的影响。主要研究成果包括：1）研究了表面极性单元密度对于纳米颗粒水溶性的影响。发现在C60表面引入少量的极性单元可以显著地改善其水溶性。然而当极性单元密度达到一定程度之后继续提高极性单元密度不会再明显地提高溶质的水溶性。这时，其水溶性随着C60表面极性单元密度的增加变化很小。2）研究了带有净电荷的纳米颗粒的水溶性。我们发现具有正的净电荷的纳米颗粒的水溶性普遍高于带有同等电量的负的净电荷的纳米颗粒的水溶性。带有正、负净电荷的纳米颗粒的水合性质差别很大，是导致它们具有不同的水溶性的主要因素。3）研究了非极性纳米颗粒在具有不同的乙醇/水的比例的混合溶剂中的分散性。发现纳米颗粒的分散性并不是随着乙醇比例的增加而单调增加，而是先降低然后再增加。这偏离了我们常见的“相似相溶”原理。当乙醇比例比较低时，乙醇分子几乎完全分布于非极性纳米颗粒表面。而当纳米颗粒聚集在一起时，这些乙醇分子更加倾向于分布在纳米颗粒交界处。这些乙醇分子像粘合剂一样阻止纳米颗粒分散。本项目较好的完成了所提出的研究计划，我们的研究将为理解纳米颗粒的溶解性机制等方面提供有价值的信息.