《《B-E-14_分子动力学方法模拟研究表面活性剂薄膜体系的破裂》》.pdf

分子动力学方法模拟研究表面活性剂薄膜体系的破裂 杨文泓，杨小震 中国科学院化学研究所，高分子物理与化学国家重点实验室，北京市中关村北一 街2号51#，100190 通过MD方法模拟表面活性剂在气液界面的薄膜体系的破裂情况来预测表面 活性剂用于稳定泡沫的能力，并将所得结果与实验进行对照。泡沫的稳定性从本 质上就是由超薄膜的稳定性所决定的。我们将薄膜刚好不破的厚度定义为体系的 临界膜厚，并以此来衡量薄膜体系的稳定性。同时考查了模拟时间与格子大小对 临界膜厚的影响，得出在本研究中，模拟中微观尺度的结果可以与实验上宏观尺 度的结果相比较。表面活性剂可以提高泡沫的稳定性，也就是会降低薄膜体系的 临界膜厚，通过比较水/表面活性剂薄膜体系的临界膜厚与纯水体系的临界膜厚 的降低程度，可以得出三种表面活性剂用于稳定薄膜体系的能力依 SDS LAS C12E7 次序逐渐降低。这与实验上泡沫的产生与半衰期的结果趋势一致。通过分 析表面活性剂在气液界面的密度分布发现，各表面活性剂疏水端突出在水面部分 的积分面积对表面活性剂稳定薄膜的能力有贡献，关系为突出的部分越少则所得 薄膜的稳定性越强。 关键词：表面活性剂，分子动力学，薄膜破裂，临界膜厚 分子动力学方法模拟研究表面活性剂薄膜体系的破裂 杨文泓，杨小震 中国科学院化学研究所，高分子物理与化学国家重点实验室，高分子科学与材料 联合实验室，北京分子科学国家实验室，北京市中关村北一街2号51#，100190 关键词：表面活性剂 分子动力学 薄膜体系 临界膜厚 表面活性剂分子是由亲水基团的头部与疏水基团的尾部组成，它可以吸附 于两相界面上并降低体系的界面张力。这一特性使得表面活性剂分子可以作为一 种独特的分子广泛的应用于在许多领域[1-4]，其中泡沫就是重要的一个方面[5-8] 。 [9] 泡沫的稳定性从本质上讲取决于薄液体膜的稳定性 。分子动力学方法是一种重 要的实验工具，它已经广泛的应用于研究表面活性剂存在的界面问题。但是到目 前，研究与泡沫稳定性有关的超薄膜方面的工作除有限的几个报道外并不多。在 此，我们提出一种计算模型，用 MD 方法研究表面活性剂分子存在时薄膜的稳 定性。所得模拟结果为实验结果所验证。 我们选择 OPLS 全原子力场[10]，SPC/E 水模型[11] 。GROMACS 3.3.1 软件[12-13] 进行MD 模拟计算。非键的范德华势能采用Lennard-Jones（6-12 相互作用），Cutoff 方法计算截断，截断半径为 1.2 nm。长程的静电作相互用采用PME 算法，半径 为 1.2 nm。使用Bresenden 热浴方法维持体系温度，耦合常数为 0.1 ps 。用LINCS 算法限制表面活性剂分子和水分子在 MD 模拟中的键长，步长为 2 fs 。模拟的模 型为在液相上下两层均有空气相。在 xyz 方向上采用周期边界条件。以 0.01 nm 的间隔逐渐减少薄膜的厚度，来确定薄膜的临界膜厚。通过比较表面活性剂分子 加入前后水膜破裂的临界厚度的变化，来衡量各种表面活性剂分子对于水膜稳定 性的能力强弱。 表 1 为不同模拟尺寸和时间下纯水薄膜体系的临界膜厚。可以看到，纯水 薄膜体系的临界模厚随模拟边界尺寸的增大模拟时间的延长而变大。 Table 1 Dependence of critical thickness on simulation scales for pure water systems Critical Lateral dimension (xy axes, nm) thickness (nm) 6 6  8 8  10 10 4 4  2 1.04 1.18 1.26 1.32 Time 4 1.06