SiO2表面上醇类分子的浸润行为的分子动力学模拟研究

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1、博士学位论文SiO2表面上醇类分子的浸润行为的分子动力学模拟研究作者姓名：聂雪川指导教师:方海平研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:理学博士学科专业:粒子物理与原子核物理培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月WettingbehaviorofAlcoholMoleculesonSiO2SurfaceStudiedbyMolecularDynamicsSimulationsAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSci

2、encesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinParticlePhysicsandNuclearPhysicsByNieXuechuanSupervisor:ProfessorFangHaipingShanghaiInstituteofAppliedPhysicsChineseAcademyofSciencesJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论

3、文是本人在导师的指导下独立进行研宄工作，所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研宄工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。＇作者签名：８￡１日期：十月／？污学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院大学有关保留、使用学位论文的规定，ｇ卩：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印

4、、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入ＣＮＫＩ学位论文全〇“”文数据库并充实到学位．论文学术不端行为监测系统比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：ｇ豐”指导教师签名：丨曰期：又年十月ｕ曰SiO2表面的乙醇分子单层和乙醇液滴摘要摘要浸润现象是自然界中常见的一种现象。液体的浸润性质在自清洁材料，双亲分子自组

5、装，微机电系统，石油开采，表面处理等领域具有广泛的应用。在纳米尺度下，液体在固体表面的浸润行为往往有很多独特的性质。比如水分子可以在特定的模型表面自发的形成一层有序的水分子单层，然后在水分子单层的上方还可以形成一个水滴，这种现象被称为“不完全浸润的有序单层水”。醇类作为一种典型的双亲分子具有非常广阔的应用。比如甲醇是制备甲醛的主要原料，乙醇可以被用作燃料电池的燃料,医用消毒剂,有机溶液以及有机化工原料等。理解醇类分子在矿物表面的浸润性质在环境保护,生物科学以及工业生产等领域有重要的应用。我们课题组之前

6、的研究发现乙醇分子可以在一个特定的带电模型表面自发的组装成一层有序的乙醇分子单层以及一个乙醇液滴，从而出现“不完全浸润的有序单层乙醇”的现象。这种现象的机制跟前面提到的“不完全浸润的有序单层水”的机制是类似的。到目前为止，尽管实验上研究了乙醇在二氧化硅（SiO2）和方解石（Calcite）表面的指向行为，但是乙醇在真实的材料表面上会不会也能组装成一层“不完全浸润的有序单层乙醇”的现象还是未知的。另外，醇类分子具有相同的可以形成氢键的极性亲水头和各种不同长度的非极性疏水尾链。之前的研究发现，双亲分子的疏

7、水尾链的长度可以影响其在纳米尺度的聚集行为，因为疏水尾链的长度会显著地影响疏水效应。但是到目前为止，疏水尾链的长度如何影响醇类分子的浸润行为仍然是未知的。在本论文中，我们选用羟基化的二氧化硅（SiO2）的(111)面为基底，用分子动力学模拟的方法研究了乙醇分子在SiO2基底上的浸润行为。研究发现乙醇分子可以在SiO2表面上形成一个有序的单分子层，并且在这个单分子层的上方还可以形成一个乙醇液滴，为在真实材料表面上的“不完全浸润的有序单层乙醇”的模型提供了证据。第一层乙醇在SiO2表面上排列成四边形的有序

8、结构，与SiO2的吸附位点的分布相吻合。第一层乙醇分子的羟基指向SiO2表面，同时甲基背离SiO2表面，而第二层乙醇分子的甲基会指向第一层乙醇分子的甲基，形成甲基面对甲基的排布。由于第一层乙醇分子是竖直地吸附在SiO2表面的，这种指向决定了乙醇分子只能与SiO2表面形成氢键，从而减小了第一层乙醇分子与其ISiO2表面上醇类分子的浸润行为的分子动力学模拟研究上的液滴形成的氢键的数目，这就是乙醇液滴能够稳定存在的机理。此外，我们发现乙醇分子在Al2O3的(0