离子液体与离子液晶的相行为

Ionic liquids (ILs) are salts composed of organic ions with large volumes, whose melting points are around room temperature. Due to their dual organic and ionic feature, they have potential wide applications in many fields, such as chemistry and chemical engineering, military and industry, materials and biology. Ionic liquid crystals (ILCs) , ILs in the liquid crystal (LC) phase, have the advantages of both ILs and LCs, so they have been attracting more and more attentions in recent years. Based on the nanoscale heterogeneous new liquid phase we have discovered for ILs, we propose to systematically study different phases of ILs and ILCs, including simple liquid phase, heterogeneous liquid phase, ILC phase, and glass phase, under different thermodynamic conditions, such as temperature, side-chain length, and mixture ratio, by means of multiscale molecular dynamics simulations. Microscopic molecular interactions will be carefully investigated to see how they drive the transitions between different phases of ILs and ILCs. On top of a rounded understanding of the phase behaviors and phase transitions of ILs and ILCs, with the combination of both numeric simulations and analytical methods, we will also try to develop a general free-energy model to systematically explain and predict the phase behaviors of ILs and ILCs.

离子液体是由体积较大的有机离子组成的熔点在室温附近的盐，由于其兼具有机性和离子性的优点，在化学化工、军事工业、材料生物等诸多领域都有着广泛的潜在应用。离子液晶是处在液晶态的离子液体，由于其兼具离子液体和液晶的优点，近几年来逐渐成为离子液体领域的前沿研究热点。本申请将在我们之前发现的离子液体纳米尺度非均质的新液相的基础上，运用多尺度分子动力学模拟方法系统和深入地研究离子液体和离子液晶在不同温度、侧链长度、混合比例等热力学条件下所呈现的不同物相，包括简单液相、非均质液相、液晶相、玻璃相等，并揭示分子相互作用如何有效驱动不同相之间转变的微观机制。基于对离子液体和离子液晶相行为及相变的全面认识，我们还将致力于结合数值模拟和解析理论方法，建立适用于离子液体和离子液晶的通用自由能模型，用于系统解释和预言离子液体和离子液晶的相行为。

离子液体是熔点在室温附近的有机盐，一般由较大的有机分子阳离子和较小的有机或无机分子阴离子组成。由于离子液体具备有机性和离子性的双重特征，其在化学、化工、材料、生物、军工等方面具有非常广阔的潜在应用前景。离子液晶是离子液体的液晶态，兼具离子液体和液晶两类物态的特征，有望作为新型液晶材料得到广泛应用。另一方面，由于离子液体和离子液晶里包括了非常复杂的静电、范德华、氢键、化学键等分子相互作用，所以呈现出很多超出简单液体的相行为，是研究复杂液体理论的重要模型体系。. 我们按照申请书的计划详细研究了离子液体和离子液晶在不同热力学条件下的相行为，所取得的重要成果包括：发现了离子晶体在升温过程中的固－固相变以及熔化相变中的亚稳态；发现不同晶相会熔化得到相同的液晶态；确定了随侧链增长，离子液体到离子液晶的变化为渗流相变；研究了阴阳离子体积对于离子液晶相稳定性的影响以及溶剂的极性和浓度对于离子液晶在溶液中聚集程度的影响；揭示了离子液晶和苯混合产生的液－液相分离现象的微观机制。这些成果对于离子液体和离子液晶的实际应用具有重要的基础理论意义。此外，还对相关的复杂液体进行了理论和模拟研究，取得如下重要成果：发现离子水溶液在室温或更高温度下的动力学不均匀性与低温下的过冷液体定性上非常类似；过冷水中Stokes-Einstein关系依然成立，颠覆了以往对于过冷水的认知；发展了适用于高浓度离子水溶液的扩展的Poisson-Boltzmann理论，有望应用于对离子液体的解析建模；发展了非平衡稳态的统计理论及相应算法，能改进离子液体作为锂电池电解液等体系的分子模拟算法。这些研究形成的11篇SCI论文短时间内已被引用54次，说明已经获得不少国际同行关注。. 原本计划的建立适用于离子液体和离子液晶的通用自由能模型的工作，经摸索尝试后发现高分子自洽平均场理论的方法存在很大局限性，现在正在研究改为将高分子的等效自由能解析模型应用于离子液体和离子液晶的解析建模和相行为研究。