双链阴离子表面活性剂1-烷基-癸基磺酸钠在气/液界面聚集行为:分子动力学模拟研究
发布时间：2021-07-02 08:19
采用分子动力学模拟方法研究了双链阴离子表面活性剂1-烷基-癸基磺酸钠（1-Cm-C9-SO3Na）在气/液界面的聚集行为。通过分析体系中各组分的密度分布和径向分布函数,考察了m大小对其界面性质的影响。结果表明:随着m的增大,表面活性剂的疏水性增强,疏水碳链的倾斜角也随之降低;m=4时,1-C4-C9-SO3Na分子采用平躺的方式在界面上聚集,S-Na+和S-S的相互作用最大,极性头基的水化能力最弱。通过模拟和实验对比得出,m增加到4个时,对该类双链阴离子表面活性剂性能的提高最显著。
【文章来源】：物理化学学报. 2017,33(06)北大核心SCICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
}Cg-SO}Na的化学结构示意图及各原子上的电荷
1216ActaPhys.-Chim.Sin.2017Vol.33图11-Cm-C9-SO3Na的化学结构示意图及各原子上的电荷Fig.1Schemeofchemicalstructuresfor1-Cm-C9-SO3NaandchargedistributioninmoleculesHydrogenatomsarenotshown.图2各体系模拟平衡时的构型Fig.2Balancedconfigurationsforallsystems(A)m=0;(B)m=2;(C)m=4;(D)m=6;(E)m=8;(F)m=9.Thecarbonatoms(gray),hydrogenatomsinthecarbonchains(white),sulfuratoms(yellow)andNa+ions(purple)arehighlighted.nm)，模拟体系的格子尺寸为3nm×3nm×20nm。所有模拟均在MaterialStudio软件中运行，采用NVT系综，引入周期边界条件，选取COMPASS力场，该力场的非键相互作用能通过公式(1)计算。使用Hoover-Nóse控温方法，温度控制在298K，弛豫时间为0.2ps。模拟时间为2ns，步长为1fs，最后1ns存储的轨迹文件用于后续结构和动力学分析。长程静电势采用Ewald方法，截断半径设定为0.95nm。模拟体系构型建立之后，先用Smart方法进行能量最小化，然后再开始进行动力学模拟。Enon-bond=∑εi,jij2rij0rij9-3rij0rij6+∑qiqjriji,j(1)式中rij、r0ij和εij分别为粒子i和j之间的距离、尺度和能量参数，qi和qj分别为粒子i和j的电荷。3结果和讨论3.1表面活性剂界面聚集行为所有体系表面活性剂均在界面聚集，如图2所示。随着m的增加，表面活性剂进入界面层水相的程度逐渐减弱。由图2A中明显看出，整个表面活性剂分子几乎都聚集在界面层中，而随着m的增加，表面活性剂的部分碳氢链逐渐远离界面区域(图2B、2C和2D)，最终绝大部分碳氢链都呈现远离界面水层的趋势(图2E和2F)。这表明，随着m的增加，1-Cm-C
No.6陈贻建等：双链阴离子表面活性剂1-烷基-癸基磺酸钠在气/液界面聚集行为：分子动力学模拟研究1217图3各组分密度分布曲线Fig.3Densityprofilesofdifferentcomponents(A)m=0;(B)m=2;(C)m=4;(D)m=6;(E)m=8;(F)m=9相。从碳链的排列来看，在m=0，4时(图2A和2C)，碳链基本以平躺为主，而其它几个体系，碳链则以倾斜状居多。Na+则多集中在界面区域，部分会留在水相当中。更为详细的结构特征可以通过解析体系中各组分的密度分布函数获得。图3给出了各体系中H2O、1-Cm-C9-SO3和Na+的密度分布函数图。从1-Cm-C9-SO3的分布图可以看出，所有体系的峰均较尖，峰也基本位于界面区域，说明1-Cm-C9-SO3在气-液界面形成有序的单层。Na+的分布较为广泛，水相也有小峰，界面区域有最高峰，表明Na+主要分布在界面区域，这与图2中直观看到的结果一致。为了更直观比较m的增加对1-Cm-C9-SO3和Na+密度分布的影响，将密度分布图中两个组分的最高峰出峰位置以及峰高列于表1当中。从1-Cm-C9-SO3的出峰位置可以看出，m=0时，其峰位置和峰值均要小于其它体系，说明随着m的增加，表面活性剂的疏水性增强，其分布必然要呈现远离水相的趋势，故而出峰位置更大，而疏水性增强有利于其在界面形成聚集体，所以密度较高(峰值大)。从图3A中也可以发现，1-C0-C9-SO3的峰有更大一个区域与水相重叠，说明其亲水性更强。且出峰区域大约是从1.0到2.5nm，要宽于其它体系(1.2到2.5nm)，导致其峰值较低。从Na+的峰位置及峰高可以看到，m=0时，其峰位置和峰值也大体小于其它体系，这应该是由表面活性剂的头基引起的，从图1的电荷分布结果可以得到m=2,4,6,8,9
【参考文献】：
期刊论文
[1]抗衡离子对硫酸盐表面活性剂气/液界面性质影响的分子动力学模拟[J]. 胡松青,纪贤晶,范忠钰,张田田,孙霜青. 物理化学学报. 2015(01)
[2]烷基芳基磺酸盐结构对微乳液相行为的影响[J]. 于涛,罗石琼,丁伟,王会敏,袁丹丹,曲广淼,李钟. 应用化学. 2012(09)
[3]钙离子对4-（5’-十六烷基）苯磺酸钠在气/液表面聚集行为的影响[J]. 孙焕泉,赵涛涛,曹绪龙,苑世领,王其伟,李雪松,徐桂英. 化学学报. 2011(09)
[4]结构及助剂对十五烷基芳基磺酸盐吸附性能的影响[J]. 于涛,童维,宿雅彬,丁伟. 应用化学. 2010(04)
[5]烷基芳基磺酸盐的分子动力学模拟与自由能微扰计算[J]. 丁伟,刘国宇,于涛,曲广淼,程杰成,吴军政. 物理化学学报. 2010(03)
[6]十四烷基芳基磺酸盐形成的分子有序组合体[J]. 于涛,李钟,丁伟,罗石琼,栾和鑫,童维,曲广淼,程杰成. 物理化学学报. 2010(02)
[7]癸基硫酸钠和癸烷磺酸钠与阳离子聚电解质相互作用的差别[J]. 王晨,严鹏,肖进新. 物理化学学报. 2009(09)
[8]琥珀酸二油脂磺酸钠的合成、结构及水合作用[J]. 于艳春,肖鹤鸣. 物理化学学报. 2009(01)
[9]水溶液中表面活性剂月桂醇聚氧乙烯醚硫酸钠性能的介观模拟[J]. 游慧,赵波,王正武. 物理化学学报. 2009(01)
[10]表面活性剂疏水链长对高温下泡沫稳定性的影响[J]. 曹绪龙,何秀娟,赵国庆,宋新旺,王其伟,曹嫣镔,李英. 高等学校化学学报. 2007(11)
本文编号：3260107
【文章来源】：物理化学学报. 2017,33(06)北大核心SCICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
}Cg-SO}Na的化学结构示意图及各原子上的电荷
1216ActaPhys.-Chim.Sin.2017Vol.33图11-Cm-C9-SO3Na的化学结构示意图及各原子上的电荷Fig.1Schemeofchemicalstructuresfor1-Cm-C9-SO3NaandchargedistributioninmoleculesHydrogenatomsarenotshown.图2各体系模拟平衡时的构型Fig.2Balancedconfigurationsforallsystems(A)m=0;(B)m=2;(C)m=4;(D)m=6;(E)m=8;(F)m=9.Thecarbonatoms(gray),hydrogenatomsinthecarbonchains(white),sulfuratoms(yellow)andNa+ions(purple)arehighlighted.nm)，模拟体系的格子尺寸为3nm×3nm×20nm。所有模拟均在MaterialStudio软件中运行，采用NVT系综，引入周期边界条件，选取COMPASS力场，该力场的非键相互作用能通过公式(1)计算。使用Hoover-Nóse控温方法，温度控制在298K，弛豫时间为0.2ps。模拟时间为2ns，步长为1fs，最后1ns存储的轨迹文件用于后续结构和动力学分析。长程静电势采用Ewald方法，截断半径设定为0.95nm。模拟体系构型建立之后，先用Smart方法进行能量最小化，然后再开始进行动力学模拟。Enon-bond=∑εi,jij2rij0rij9-3rij0rij6+∑qiqjriji,j(1)式中rij、r0ij和εij分别为粒子i和j之间的距离、尺度和能量参数，qi和qj分别为粒子i和j的电荷。3结果和讨论3.1表面活性剂界面聚集行为所有体系表面活性剂均在界面聚集，如图2所示。随着m的增加，表面活性剂进入界面层水相的程度逐渐减弱。由图2A中明显看出，整个表面活性剂分子几乎都聚集在界面层中，而随着m的增加，表面活性剂的部分碳氢链逐渐远离界面区域(图2B、2C和2D)，最终绝大部分碳氢链都呈现远离界面水层的趋势(图2E和2F)。这表明，随着m的增加，1-Cm-C
No.6陈贻建等：双链阴离子表面活性剂1-烷基-癸基磺酸钠在气/液界面聚集行为：分子动力学模拟研究1217图3各组分密度分布曲线Fig.3Densityprofilesofdifferentcomponents(A)m=0;(B)m=2;(C)m=4;(D)m=6;(E)m=8;(F)m=9相。从碳链的排列来看，在m=0，4时(图2A和2C)，碳链基本以平躺为主，而其它几个体系，碳链则以倾斜状居多。Na+则多集中在界面区域，部分会留在水相当中。更为详细的结构特征可以通过解析体系中各组分的密度分布函数获得。图3给出了各体系中H2O、1-Cm-C9-SO3和Na+的密度分布函数图。从1-Cm-C9-SO3的分布图可以看出，所有体系的峰均较尖，峰也基本位于界面区域，说明1-Cm-C9-SO3在气-液界面形成有序的单层。Na+的分布较为广泛，水相也有小峰，界面区域有最高峰，表明Na+主要分布在界面区域，这与图2中直观看到的结果一致。为了更直观比较m的增加对1-Cm-C9-SO3和Na+密度分布的影响，将密度分布图中两个组分的最高峰出峰位置以及峰高列于表1当中。从1-Cm-C9-SO3的出峰位置可以看出，m=0时，其峰位置和峰值均要小于其它体系，说明随着m的增加，表面活性剂的疏水性增强，其分布必然要呈现远离水相的趋势，故而出峰位置更大，而疏水性增强有利于其在界面形成聚集体，所以密度较高(峰值大)。从图3A中也可以发现，1-C0-C9-SO3的峰有更大一个区域与水相重叠，说明其亲水性更强。且出峰区域大约是从1.0到2.5nm，要宽于其它体系(1.2到2.5nm)，导致其峰值较低。从Na+的峰位置及峰高可以看到，m=0时，其峰位置和峰值也大体小于其它体系，这应该是由表面活性剂的头基引起的，从图1的电荷分布结果可以得到m=2,4,6,8,9
【参考文献】：
期刊论文
[1]抗衡离子对硫酸盐表面活性剂气/液界面性质影响的分子动力学模拟[J]. 胡松青,纪贤晶,范忠钰,张田田,孙霜青. 物理化学学报. 2015(01)
[2]烷基芳基磺酸盐结构对微乳液相行为的影响[J]. 于涛,罗石琼,丁伟,王会敏,袁丹丹,曲广淼,李钟. 应用化学. 2012(09)
[3]钙离子对4-（5’-十六烷基）苯磺酸钠在气/液表面聚集行为的影响[J]. 孙焕泉,赵涛涛,曹绪龙,苑世领,王其伟,李雪松,徐桂英. 化学学报. 2011(09)
[4]结构及助剂对十五烷基芳基磺酸盐吸附性能的影响[J]. 于涛,童维,宿雅彬,丁伟. 应用化学. 2010(04)
[5]烷基芳基磺酸盐的分子动力学模拟与自由能微扰计算[J]. 丁伟,刘国宇,于涛,曲广淼,程杰成,吴军政. 物理化学学报. 2010(03)
[6]十四烷基芳基磺酸盐形成的分子有序组合体[J]. 于涛,李钟,丁伟,罗石琼,栾和鑫,童维,曲广淼,程杰成. 物理化学学报. 2010(02)
[7]癸基硫酸钠和癸烷磺酸钠与阳离子聚电解质相互作用的差别[J]. 王晨,严鹏,肖进新. 物理化学学报. 2009(09)
[8]琥珀酸二油脂磺酸钠的合成、结构及水合作用[J]. 于艳春,肖鹤鸣. 物理化学学报. 2009(01)
[9]水溶液中表面活性剂月桂醇聚氧乙烯醚硫酸钠性能的介观模拟[J]. 游慧,赵波,王正武. 物理化学学报. 2009(01)
[10]表面活性剂疏水链长对高温下泡沫稳定性的影响[J]. 曹绪龙,何秀娟,赵国庆,宋新旺,王其伟,曹嫣镔,李英. 高等学校化学学报. 2007(11)
本文编号：3260107
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