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本文从不同作用机制相互协调而形成复杂结构的观点出发,建立了双亲分子简化原子模型,设计了对大分子系统进行模拟的并行算法。在此基础上,对十二烷基硫酸钠/水系统进行了模拟,检验了该模型的正确性。模拟了十二烷基苯磺酸钠/水/油体系中胶团形状随表面活性剂浓度升高而变化的趋势,模拟了两种不同乳化剂配制的乳液稳定性差异,并进一步研究了表面活性剂亲水亲油平衡值与水油两相体积比对乳液形成及其稳定性的作用。结果表明,乳液中存在的不同作用机制间的相互协调决定了胶团的形成及乳液的类型。
双亲分子系统简化原子模型继承了原子模型能够更真实地反映分子框架结构的特点,但简化了分子结构中对胶团形成作用不大的细微结构。以相互作用势函数的方式突出了表面活性剂亲水亲油的双亲性质,并借鉴粗粒化模型的处理方法简化了分子内原子间的相互作用力,通过势函数变换间接地考虑了静电相互作用。对溶剂分子采取了粗粒化处理方法,减少了计算量。通过颗粒分解与空间分解算法的结合,实现了大分子体系的并行计算。
对十二烷基硫酸钠/水体系进行了并行分子动力学模拟。通过大、小两个系统的模拟,在小系统中得到了球形胶团,统计分析了模拟系统势能变化、胶团的旋转半径、胶团的球形度、胶团内部表面活性剂分子各基团的密度分布及概率分布,模拟结果与实验值一致。与报道的其他相关模拟结果的对比表明,在远高于表面活性剂临界胶团浓度下,由于常用的原子模型预先构造了胶团形状,因此其球形胶团的结果不能完全令人信服。应用本文提出的简化原子模型得到的是椭圆形胶团,通过适当调节也能够得到与文献报道相一致的结构。对大系统的模拟得到了两个棒状胶团的胶团化过程,分析了胶团结构,从而利用同一模型建立起表面活性剂分子结构、胶团结构与胶团化过程的联系,为研究不同尺度间不同作用机制的相互协调提供了有效的途径。
对两种不同乳化剂配制的乳液的稳定性差异进行了模拟,与实验结果定性相符。由于乳化剂分子结构的不同造成了胶团结构的不同,从而影响了胶团间的聚并。利用模拟方法的优势,通过对表面活性剂亲水亲油平衡值的调节,模拟了八个不同亲水亲油平衡值、油水两相体积比的乳液系统,分析了表面活性剂分子扩散系数、系统结构比表面积的变化趋势。模拟结果表明,亲水亲油平衡值与油水两相体积比间的协调作用对乳液系统胶团化过程、胶团结构、乳液类型起着决定性作用。