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分子動力學模擬不同濃度仿生黏液-水界面的界面張力
來源：潤滑與密封 瀏覽 828 次 發(fā)布時間:2025-04-14
隨著科學技術的迅速發(fā)展，仿生表面在體育、醫(yī)療、化學、軍事發(fā)展和交通等方面表現(xiàn)出了極為可觀的應用前景并吸引了許多研究者。與此同時，水下浸沒的固體仿生表面對其實現(xiàn)減阻功能起著至關重要的作用，而界面的穩(wěn)定性直接影響界面的疏水和滑移性能。許多因素如沖擊、靜水壓力、流體流動等都容易引起超疏水界面失穩(wěn)。BICO等定性地說明了側壁結構(突出的尖角)能夠釘扎液氣界面，有利于液氣界面保持穩(wěn)定。NOSONOVSKY從系統(tǒng)最小自由能出發(fā)揭示了液氣界面穩(wěn)定性判據(jù)，提出了壁面多級多尺度微結構有助于防止液氣界面失穩(wěn)。WHYMAN、BORMASHENKO從能量的角度說明了側壁次級微結構能夠增大系統(tǒng)從Cassie-Baxter(CB)狀態(tài)向Wenzel(W)狀態(tài)的浸潤轉變的能量勢壘，為了維持超疏水特性，需要維持Cassie-Baxter狀態(tài)氣層的穩(wěn)定性，從而有效避免液氣界面失穩(wěn)。WU等基于熱力學原理提出液滴浸潤多級微結構的理論模型，得到了側壁次級微結構有助于增大液氣界面在壁面上的接觸角和增大系統(tǒng)浸潤轉變能量勢壘的結論?，F(xiàn)有的這些工作表明界面穩(wěn)定性對界面的疏水和滑移性能起著至關重要的作用。然而，目前的研究尚不完善，在微觀方面缺乏研究，沒有從分子動力學方面對界面穩(wěn)定性展開詳細分析。
本文作者運用分子動力學模擬方法，采用透明質(zhì)酸溶液模擬仿生黏液，構建不同質(zhì)量分數(shù)下仿生黏液體系的模型，考察仿生黏液體系與水相界面行為隨時間的變化規(guī)律；采用勢能函數(shù)模型，通過不同質(zhì)量分數(shù)仿生黏液-水界面張力和界面相互作用能等參數(shù)表征了不同質(zhì)量分數(shù)的透明質(zhì)酸仿生黏液對界面穩(wěn)定性的影響；同時考察了透明質(zhì)酸和水分子之間的相互作用的強弱關系，分析了質(zhì)量比為1∶10的體系中透明質(zhì)酸和水分子之間的徑向分布函數(shù)(RDF)。體系中水分子遷移越快，仿生黏液擁有更好的疏水性，文中還分析了不同質(zhì)量分數(shù)仿生黏液體系中水分子在透明質(zhì)酸周圍的均方位移(MSD)，為設計多級微結構表面仿生黏液-水界面穩(wěn)定性提供了思路。
模擬條件
分子力學方法首先通過計算分子各種可能構象的勢能，得到分子勢能最低的構象，即最穩(wěn)定的構象，該過程被稱為能量最小化。該模型的結構和能量最小化在Forcite模塊中進行，采用的都是Smart geometry optimization對初始結構進行優(yōu)化。該優(yōu)化能夠較好地消除因搭建模型過程中可能造成的分子重疊、結構不合理等引起的高能構象，從而保證隨后的分子動力學模擬能夠正常運行。Smart geometry optimization采用最速下降法、共軛梯度法和牛頓法對體系進行優(yōu)化。對體系進行優(yōu)化后，在正則系綜(NVT)下進行了200 ps的分子動力學模擬，T=298 K，模擬步長設定為1 fs。采用Nose控溫法來控制溫度，范德華相互作用用Atom based方法計算，靜電相互作用用Ewald方法計算，截斷距離選為1.85 nm。系統(tǒng)達到平衡后，最后在平衡構象的基礎上進行150 ps的等溫等壓系綜(NPT)分子動力學計算，記錄數(shù)據(jù)用作后續(xù)的結構和動力學分析。
在計算界面張力時，首先對界面張力的初始模型進行優(yōu)化后，對其進行300 ps的NPT模擬，溫度取298 K，目標壓力為1.013 25×105Pa，壓力控制方法為Berendsen法控壓。然后對最后一幀進行200 ps的NVT分子動力學模擬，范德華相互作用(vdW)選用Atom based方法計算，靜電相互作用選用Ewald方法，然后提取x、y、z坐標軸方向的分壓，用于計算界面張力。
界面張力
分子動力學中認為界面張力與不同方向上的壓力張量有關，仿生黏液透明質(zhì)酸體系-水的界面張力通過KIRKWOOD和BUFF提出的力學定義來進行計算。通過對5個不同質(zhì)量比的體系在平衡后200 ps的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到了一個仿生黏液和水界面的界面張力平均結果，如圖1所示?？梢娫谘芯康馁|(zhì)量比范圍內(nèi)，透明質(zhì)酸仿生黏液與水的界面張力始終保持在(60.00±10)mN/m左右，其中透明質(zhì)酸和水分子的質(zhì)量比接近1∶10時，界面張力最小(為61.33 mN/m)。仿生黏液和水界面的界面張力越小，體系中仿生黏液和水界面的自由能就越低，界面就較穩(wěn)定。因此，可以認為在研究的質(zhì)量比范圍內(nèi)，質(zhì)量比1∶10時，模擬黏液-水的界面穩(wěn)定性最優(yōu)。這同時也證明，通過分子動力學模擬的方法可以初步預測仿生黏液在水體中的穩(wěn)定性。
圖1不同質(zhì)量比仿生黏液界面張力
結論
通過分子動力學模擬，研究了不同濃度仿生黏液-水界面的界面張力、界面相互作用能、均方位移(MSD)曲線和徑向分布函數(shù)(RDF)。結果表明，仿生黏液在透明質(zhì)酸分子和水分子在質(zhì)量比為1∶10時的界面張力最小為61.33 mN/m，得到的界面最穩(wěn)定。