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。

在表面活性剂水溶液的分子级计算机模拟中，主要关注对象是作为溶质的表面活性剂分子，但作为溶剂的水占据了大部分计算量。本研究对溶剂进行了隐式处理，显着减少了计算量，并利用平均力势（PMF）（包含溶剂影响的溶质之间的相互作用）来消除隐式溶剂的影响。结合该方法的新模拟方法（称为隐式溶剂模型），实现了表面活性剂水溶液和胶体颗粒分散体系的大规模模拟，这是传统方法难以做到的。在前一年开发的隐式溶剂模型中，所有相互作用都用PMF表示，它是溶质之间的直接相互作用和溶剂引起的相互作用的总和。然而，当表面活性剂分子由于疏水基团之间的疏水相互作用形成胶束等缔合体时，缔合体内部几乎不存在水分子，因此疏水基团之间仅发生直接相互作用就应该起作用。因此，今年，我们将开发一个更精确的模拟模型（改进的隐式溶剂模型），其中根据疏水基团周围其他疏水基团的密度来修改疏水基团之间的相互作用。在表面活性剂水溶液之前，通过模拟水中的油滴来计算水/油界面的界面张力，并通过与实验值的比较来证实改进的隐式溶剂模型的有效性。此外，通过使用改进的隐式溶剂模型模拟胶束，我们能够成功地表达实验中观察到的胶束内部的流动性，并发现胶束的内部结构与正常胶束相似，甚至我们证实了与MD模拟结果良好的定量一致性。此外，由于与实际实验系统的比较和验证很重要，因此我们正在开发一种组合原子力显微镜和光学显微镜的原型系统，该系统能够同时测量表面之间的相互作用力和表面之间的有限空间内的分子行为。上一年的延续。