固体表面电荷对界面水合的影响

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固-液界面上水的特性在浸润、液体纳米运输、相变、生物膜、离子通道等过程中扮演很重要的角色。已经有很多实验研究和理论研究在分子层面上展示了距离固体表面分子尺度距离内界面水的特性,发现固体基底的性质会对界面水的结构和动力学特性产生巨大的影响。而我将注意力聚焦在固体表面所带电荷的大小对界面水的影响上。  为了探究固体表面电荷的大小对界面水结构和动力学特性的影响,我们通过经典的分子动力学模拟的方法,以石墨烯和氧化镁作为模型系统,通过改变固体表面的原子所带电荷的大小,来探究其对界面水的影响。本论文的主要研究内容包括以下两个方面:  1.固体表面电荷对界面水结构的影响  我们利用界面水中原子密度分布函数、电荷密度分布函数、氢键的密度分布函数和水分子取向性分布函数统计了界面水沿着固体表面法线方向的结构分布情况。又利用第一水合层中原子之间的平面径向分布函数和原子的面密度分布,来具体的探究第一水合层中水分子的结构分布情况。发现受到固体表面电荷的影响,第一水合层中水分子形成了和固体表面电荷分布结构相对应的分布结构。并且随着固体表面电荷的增加,第一水合层中水分子的有序分布结构更加明显。  2.固体表面电荷对界面水动力学特性的影响  我们利用水分子在第一水合层中的滞留相关函数来探究水分子在第一水合层中的平均滞留时间。发现受固体表面的影响,第一水合层中水分子的滞留时间远大于体相水层中的水分子的滞留时间,并且还会随着固体表面电荷的变化而变化。最后我们还计算了第一水合层中水分子的再取向自相关函数,用来探究固体表面电荷的增加,对水分子的取向变化快慢的影响。并借此发现固体表面的存在会导致第一水合层中水分子的旋转变为各向异性。  通过对比石墨烯和氧化镁模型系统,发现固体表面电偶极长度也对界面水的结构和动力学特性有显著的影响。
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