界面活性剤水溶液中の表面間相互作用力とその推算手法の開発

表面活性剂水溶液中表面-表面相互作用力的发展及其估计方法

基本信息

批准号：
16760606
负责人：
新戸浩幸
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

界面活性剤水溶液の分子レベルの計算機シミュレーションにおいて、興味の主な対象は溶質としての界面活性剤分子であるが、計算量の大部分を占めるのは溶媒としての水である。本研究は、溶媒を陰に扱い、計算量を大幅に削減するとともに、溶媒の影響を含んだ溶質間相互作用である平均力ポテンシャル(PMF)を用いることで陰に扱われた溶媒の影響を組み込んだ、新たなシミュレーション手法(陰溶媒モデルと呼ぶ)を開発し、従来の手法では困難であった界面活性剤水溶液やコロイド粒子分散系の大規模シミュレーションを実現した。前年度で開発された陰溶媒モデルでは、全ての相互作用を、溶質間の直接相互作用と溶媒が誘起する相互作用の和であるPMFにより表現している。しかし、界面活性剤分子が、疎水基間に働く疎水性相互作用によりミセルのような会合体を形成したとき、その内部では水分子はほとんど存在しないため、疎水基間には直接相互作用のみが働くはずである。そこで本年度は、疎水基間の相互作用を、その疎水基周りにおける他の疎水基の密度に応じて変化するように修正を加えた、より精度の高いシミュレーションモデル(修正陰溶媒モデル)の開発を行った。界面活性剤水溶液に先立ち、水中における油滴のシミュレーションから水/油界面における界面張力を算出し、実験値と比較することで、修正陰溶媒モデルの妥当性を確認した。さらに、修正陰溶媒モデルを用いてミセルのシミュレーションを行った結果、実験でみられるようなミセル内部の流動性を表現することに成功し、このミセルの内部構造が、水分子まで含んだ通常のMDシミュレーションの結果とも定量的に良好に一致することを確認した。また、実在実験系との比較・検証が重要であるため、表面間相互作用力と表面間制限空間内分子挙動の同時計測を可能とする原子間力顕微鏡・光学顕微鏡の複合システムの試作を、前年度に引き続き行った。

在分子级的计算机模拟中，水性表面活性剂溶液的主要对象是表面活性剂分子作为溶质，但水作为溶剂作为溶剂的大部分计算量。 This research developed a new simulation method (called an affixed solvent model) that uses the solvent to be treated in a shadow, greatly reducing the amount of calculation, and incorporates the effects of the affixed solvent by using the average force potential (PMF), which is an interaction between solutes containing the influence of the solvent, and has realized large-scale simulations of surfactant aqueous solutions and colloidal particle dispersions, which were difficult与常规方法有关。在上一年开发的负溶剂模型中，所有相互作用均由PMF表示，溶质与溶剂诱导的相互作用之间的直接相互作用之和。但是，当表面活性剂分子形成诸如胶束诸如疏水基团之间的胶束之类的缔合时，内部几乎没有水分子，因此只有直接相互作用才能在疏水基团之间起作用。因此，今年我们开发了一个更准确的仿真模型（修改的隐式溶剂模型），其中疏水基团之间的相互作用已根据疏水基团周围其他疏水基团的密度进行了修改。在使用水性表面活性剂溶液之前，根据水中的油滴的模拟计算了水/油界面处的界面张力，并与实验值进行了比较以确认修饰的隐式溶剂模型的有效性。此外，使用修改的隐式溶剂模型进行了胶束模拟，并且成功地表达了实验中所见的胶束内的流动性，并确认胶束的内部结构在定量上与正常MD模拟的结果相吻合，甚至含有水分子。此外，由于与现实世界实验系统的比较和验证很重要，因此从上一年开始，我们一直在产生原子力显微镜和光学显微镜的原型，从而可以同时测量地表到表面相互作用力和分子行为，并在空间到相处的限制中。