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材料制备与应用中的界面与分子模拟研究
阅读次数:3578 添加时间:2009-3-30 发布: 管理员

通过分子模拟、分子设计与构筑手段和必要的实验研究,在多尺度范围内揭示特定体系下材料结构、性能与制备的关系,以期构建材料化学工程的理论基础。在包括国家杰出青年基金(B类)等近十项国家自然科学基金的资助下,通过研究在特定体系下材料微结构传递和反应物质与材料的相互作用规律以及这种作用规律与宏观环境的变化关系,建立材料的功能与微结构的定量关系;通过对材料微观/介观尺度下存在的基本规律的研究与实践,获得材料制备和应用过程中微观/介观层次的相结构及演变过程规律和机理。在材料化学工程的分子模拟与热力学研究、材料的表面构筑与功能材料的分子设计和材料表面/界面效应的分子模拟三方面取得一些重要进展。


1、材料化学工程的分子模拟与热力学研究
面向化工材料的规模化制备和材料在化工中的应用过程,将化工热力学和传递过程原理与分子模拟及现代物理表征相结合,研究对材料性能有显著影响的介观层次的微相结构及其演变过程、界面结构以及溶液中离子的传递规律,为新型化工材料的设计、制备与应用提供理论指导。
1.1  流体在材料介观尺度微结构中和极端条件下热力学与传递行为研究
利用纳米孔道的特殊效应进行膜分离和多相催化过程强化是目前化工的热点,但其机理不能用传统的化学工程原理进行描述,更无法做到可控设计。以纳米碳管为介孔模型,通过分子模拟,对在受限环境下水等典型流体分子结构和传递行为作详尽研究后发现:流体分子的传递性质在1 nm左右介孔内主要受介孔尺寸和界面化学性质影响,和宏观条件下受温度压力影响的情况完全不同。这些特性对相关材料的设计和优化具有重要的指导意义。
水热法是制备先进无机材料如纳米粉体和低维材料的有效手段,其核心是利用水等溶剂的性质随温度压力及溶液浓度大幅度的变化来调控产物的结构和性能。其难点在于其变化规律复杂,难以定量描述。利用分子模拟对离子溶液的水化现象及扩散性质进行研究,发现:离子的水化和缔合协同作用是上述变化规律复杂的根本原因。据此,建立了常温常压至高温高压超临界状态(673 K, 58.86 MPa)范围内电解质溶液热力学模型,不仅可以预测水热条件来控制材料的组成与结构,而且可定量分析相关传递过程,为规模化制备先进无机材料奠定理论基础。
该工作被Angew Chem, JACS, PRL等国际主流期刊多次引用,Chem Rev评述时将本项目受限下流体水的研究与1996年诺贝尔化学奖获得者Smalley R. E.等人的工作相提并论;基于分子模拟所提出的“水化因子”概念已成为离子溶液研究中重要概念被接受和应用,此部分成果获2007年江苏省科技进步二等奖。
1.2  对先进材料钛酸钾晶须“组成-结构-性能”的演变,通过建立和应用化工热力学和传递过程模型,实现其低成本规模化制备。
钛酸钾晶须K2O∙nTiO2 (n=2,4,6,8)是一种高性能的新型复合材料增强体,其力学性能远高于碳纤维,同时可制备出催化性能优异的TiO2晶须。该制备过程存在的问题是:原料成本高;制备过程长而复杂,烧结、水合过程中任何条件细微的变化均将导致钛酸钾晶须组成、结构和性能的显著差异。通过对钛酸钾晶须高温下的反应过程进行热力学分析,发现改变烧结前驱体,不仅材料成本和反应温度更低,而且将热力学与表征实验相结合,找到了反应过程中混合、反应、生长等各阶段的机理和温度区间,有效控制了烧结过程钛酸钾晶须组成、微观结构与形貌。
在分子模拟的基础上,建立了钛酸钾晶须离子交换过程的热力学和传递过程模型,发现pH值和K+浓度是调控晶须组成与结构演变规律的主要因素,结合离子电极跟踪溶液中K+浓度变化的实验,找到快速到达热力学平衡的反应区域。最终只需通过控制溶液pH值,就可准确控制晶须组成、结构与性能,成功合成出高质量的单一固相K2O∙6TiO2、K2O∙8TiO2和TiO2等晶须。通过化工热力学和传递过程模型耦合,实现了用易控化工宏观参量来控制复杂微观材料的组成和结构的有效途径,并使反应温度下降200℃,反应节水率达94%,反应速度提高42倍,成功实现了钛酸钾晶须低成本高质量的规模化生产。应用成果“低维钛酸盐与树脂基耐磨复合材料的设计和工业化应用”获2008年中国石油和化学工业协会技术发明一等奖。
该研究实现了从基础→应用基础→应用→应用基础→基础的良性循环。发表论文141篇,其中被SCI收录分别为65篇,SCI他引208次;并被多次应邀在国际会议作大会邀请报告;获得国家发明专利授权7项并已产生良好经济效益。

 

2、材料的表面构筑与功能材料的分子设计
以材料功能为导向,在分子水平上实现材料结构的设计和构筑,并以全新的分子设计的视角解决特种功能材料的制备技术、结构控制、表面改性以及分子设计等问题,实现材料的高性能化、工程化与结构、功能的一体化之目的,体现了化学工程与材料科学的交叉的特色。
2.1  材料的超疏水表面构筑及其调控规律
通过将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计,并利用各种表面技术,使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能。从仿生学及材料表面微纳米结构构筑的角度,系统研究了镉盐、锌盐、铅盐和铜盐分别与十二硫醇反应,制备出一系列具有微/纳米材料可控的十二硫醇金属盐超疏水表面。并研究了其纳米材料的形成机理及微结构控制规律,提出了十二硫醇金属盐超疏水表面效应归属于其层状微/纳米结构及其自组装行为。该研究成果引起了国际同行科学家的关注,所撰写的题为“Facile fabrication of superhydrophobic surface from micro/ nanostructure metal alkanethioate based films”的论文被英国皇家化学学会出版的著名刊物Chem Commun刊登(2007; 1919-1921),被推荐为Hot Paper和封面论文,Chem Commun 2007年3月12日头条新闻作了高度评价的特写报道,美国材料研究学会快报MRS Bulletin(2007; 32: 463)Jermiah T Abiade撰文对此工作作了题为“Clever surfaces mimic nature”的报道,其评价为:“Scientists in China have now constructed a convenient and inexpensive approach to mimic nature by using the reaction of metal salts with alkanethiols.”。
通过无机材料的表面修饰与设计控制无机/聚合物复合材料的界面结构和行为,得到了多种性能优良的多元多尺度复合材料。采用溶胶凝胶法将纳米二氧化硅溶胶与聚苯乙烯原位组装制备出无机有机杂化材料,所制备的膜具有稳定的超疏水表面,关于超疏水聚合物表面构筑的报道,引起国际学术同行的广泛关注。其研究结果发表在Chem Mater上。基于超疏水表面构筑的规律,在国内实现了1000吨/年超疏水纳米二氧化硅工业化生产,获得了省级鉴定。
2.2  基于无机纳米材料/有机分子组装制备高性能功能杂化材料
为充分利用无机纳米晶如CdTe、CdS优越的光学性能和聚合物良好的加工性能,通过分子组装和界面行为的研究,发现了制备综合性能及协同效应优越的无机-有机纳米杂化材料有效途径。此方面研究的突破是新一代柔性显示器的关键。目前的瓶颈问题是无机纳米晶材料量子产率低,其在聚合物中易发生荧光淬灭和相分离。基此从分子组装与材料系统设计入手,通过对结构可控的纳米晶、功能化纳米晶的制备及其与聚合物的组装制备纳米晶杂化材料的系统研究,提出了结构可控可实用化的纳米晶功能化的新型制备方法,提出了无机纳米晶的功能化及其与有机材料反应的一体化创新思路,揭示了纳米晶功能化生长机理,掌握此杂化材料性能与组装技术的内在规律。首次采用催化链转移聚合实现纳米晶与聚合物的组装,该杂化材料很好地解决了纳米晶荧光淬灭及在聚合物相容性不佳的问题。其成果发表在J Mater Chem上。采用界面合成法成功制备出结构可控的纳米晶材料,揭示了此纳米晶结构与性能的关系,通过调控纳米晶的形态使CdS纳米晶量子产率提高了14倍,其成果发表在Langmuir 上。在纳米晶聚氨酯杂化、纳米晶聚丙烯酸酯等系列工作分别在Langmuir和Euro Polym J发表。研究结果引起了国际同行的关注,被Prog Polym Sci, Chem Mater, J Mater Chem, Langmuir, Chem Commun等国际期刊引用。
集中开展了节能型聚合反应新模式-前端聚合反应及用前端聚合制备无机-有机杂化材料的研究工作,研究深化了基于前端聚合物反应过程中界面传递行为、反应动力学及分子组装的规律的认识。利用放热反应体系热自催化作用自行引发邻近区域组分间的反应之现象,使其“反应区域—反应前端”自发向未反应区域推进,最终完成无机有机单体的聚合与组装。这种无需搅拌、节能、省时、工艺可控的新的化学反应工程模式,为材料化学工程用新反应模式制备高性能杂化材料提供了一条有效的途径。采用前端聚合反应法创新制备出多种高性能功能杂化材料,如聚氨酯/纳米SiO2(溶胶)材料、POSS/聚酰亚胺杂化材料、聚吡咯烷酮、聚氨酯与环氧树脂互穿网络等。采用前端聚合的方法成功制备出聚氨酯与环氧树脂互穿网络,研究其聚合反应速率与反应时间关系及界面行为规律。代表性成果发表在Chem Mater 2006, 18(8): 2159-2163上。相关代表性论文分别发表在Chem Mater, J Polym Sci A等国际权威期刊上。阶段性的研究结果引起了国际同行的关注,被Chem Rev, Macromolecules, Chem Euro J等国际期刊多次引用。
2004年以来,有关材料的表面构筑与功能材料的分子设计的研究工作,在Chem Commum, Chem Mater, J Mater Chem, Langmuir, J Polym Sci A等刊物上发表SCI收录论文40多篇,获授权发明专利5项,获2005年中国石油和化学工业协会技术发明二等奖。

3、材料表面/界面效应的分子模拟
以界面间物质相互作用为出发点,从量子水平、原子/分子水平及粗粒化水平出发研究了基于分子模拟(包括介观模拟)研究表面/界面间的受限行为,包括受限纳米尺度下流体的微观结构和动力学行为;以及多孔固体结构的吸附行为;同时模拟研究了复杂两亲分子在固体材料表面的自组装以及纳米粒子的稳定性和结构演化行为。通过几年的努力,取得以下成果:
3.1  多孔材料界面的受限效应和吸附行为
针对多孔材料的微孔结构中流体的物理化学行为与宏观尺度现象规律相距甚远,并伴有毛细凝聚、湿润传递等丰富的热力学现象,采用了统计力学理论和分子模拟技术研究不同结构受限空间中流体的微观结构行为和动力学性质。
表面和受限孔中的界面流体的微观结构性质。基于统计力学的非局部自由能密度泛函理论(NLDFT)并结合分子模拟方法分别研究分析了不同Channel微孔尺寸和外部条件(流体密度、组成以及温度)对微孔中受限流体结构分布的影响,讨论了纳米孔受限空间中流体的吸附行为。研究揭示了流体在微孔结构中受限吸附的演化行为。对于固体膜界面处流体,发现在高密度条件下流体在膜表面有着明显的“层结构”分布,而在低温条件下流体在膜表面呈现出“损耗”现象。发现:高密度时流体间的空间排斥作用起主导作用,而在低温条件下长程色散作用更加明显。这些理论研究深化和丰富了对受限界面流体微结构行为和演化的认识。
固体表面与超临界CO2流体的微观相互作用机制。超临界CO2流体与固体表面相互作用的微观机制不仅对微电子材料表面修饰与制备十分关键,同时对CO2气体的吸附储藏具有重要理论指导价值,目前相关研究十分缺乏。通过对微电子芯片中介电材料SiO2表面处的超临界CO2流体界面行为系列的模拟研究。分子模拟结果表明CO2流体在SiO2表面形成明显的高密度聚集层,在界面处表现为平动扩散和旋转扩散受阻的现象。进一步模拟观测到SiO2表面羟基与四偶极CO2分子形成了氢键,导致羟基化SiO2表面对CO2分子具有强的相互作用。此外针对片状Clay结构表面,超临界CO2在固液界面形成了类似固体的有序结构。相对于主体相流体,粘土层中受限CO2流体的扩散明显降低。这一研究成果,得到了国际权威期刊Chem Phys Lett(2005, 407:427-432)主编英国牛津大学化学系David C. Clary教授的高度评价,其认为“Your accepted paper is considered to be a significant contribution to the field。”
超临界CO2流体及混合物在微孔材料中的吸附模拟。采用统计力学DFT研究含Sc-CO2的二元混合物体系在活性炭的吸附行为。通过模拟计算考察了主体条件和微孔结构对吸附以及选择性的影响,并确定活性炭吸附最优的孔径,将理论模拟与实验数据相关联拟合,获得了活性炭的有效孔分布,进而预测不同条件下的混合物体系吸附平衡。对Sc-CO2以及Benzene/Sc-CO2混合物在分子筛吸附行为进行了分子模拟研究,对各个组分在受限微孔中活性吸附点位和机理进行模拟研究,并考察了其扩散性质。以上研究为设计新型分子筛结构以及对采用超临界CO2为溶剂从分子筛中进行溶质脱附提供了理论指导。
3.2  表面活性剂在固体表面自组装计算机模拟
采用计算机模拟技术研究表面活性剂在固体表面处微/介观结构和动态行为,包括表面活性剂形态﹑结构﹑以及自组装结构的界面迁移行为。目的在于发现普适性机理规律,以指导设计新型表面活性剂。
基于Coarse-Grained模拟,观测表面活性剂/溶剂复杂体系在固体表面的吸附及自组装的微/介观水平上行为和规律,进一步揭示表面活性剂界面吸附和自组装的机制。发现:由于溶剂在固液界面的分布特点导致表面活性剂在憎溶剂的表面没有形成明显的吸附层;该奇异特质暗示在憎溶剂表面存在吸附能垒阻碍表面活性剂向表面的吸附;同时对于亲溶剂表面,伴随着主体相的浓度增加,表面活性剂在固体表面形成不同自组装结构,导致了阶梯型的吸附等温线。相关成果发表在Langmuir 和 J Chem Phys。为了深入地研究体系中各种相互作用(表面活性剂与溶剂,溶剂与固体表面,表面活性剂与表面)对活性剂吸附的作用机理以及有关热力学控制因素,采用受限动力学结合伞状取样模拟技术计算表面活性剂从主体溶液吸附到固体表面的吸附自由能。该研究同时为探索大尺度复杂体系的动态演变和平衡行为提供方法和研究基础,例如生物大分子在生物膜表面的吸附与分离。研究结果表明在憎溶剂表面明显形成了一个长程的吸附能垒阻碍表面活性剂的吸附,这一结果成功解释了在前期研究中出现的固体表面排斥表面活性剂现象。降低溶剂与表面活性剂的作用能有效减弱这种阻碍作用。这一成果发表在国际权威期刊J Phys Chem B。
3.3  金属纳米颗粒的稳定性及结构演变的分子动力学模拟
近年来,金属纳米颗粒在光电转化、磁记录和催化等领域有着广泛的应用前景。尤其是双金属纳米颗粒的特性具有明显的可控性。但是由于特殊的尺寸效应和复杂的排列结构,双金属纳米颗粒的相变机理至今也没有能够被很好的阐明,我们以Pt-Au核壳结构的纳米颗粒体系为模拟研究对象,研究探讨其微观结构演化规律。分子模拟表明具有核壳结构的Pt-Au纳米颗粒的熔点随着Pt核尺寸的增大而增大,同时呈现出包括预熔化在内两阶段的相变行为。此外,通过核壳结构的Pt-Au双金属颗粒与单金属体系的相变过程的对比,发现其有着本质的不同。其中,单金属纳米颗粒通过层间相互扩散的方式在预熔化阶段出现了包括中心原子在内的体系内原子重排;而核壳双金属纳米颗粒中Au外壳在颗粒完全相变之前已经熔化成液态,与之相邻的Pt内核却很好地保持了其固体特性,形成了奇特的“固核液壳”两相共存体。而且,通过分析纳米颗粒中Pt和Au原子的能量分布很好地解释了该现象。基于分子模拟手段,首次在原子尺度下系统研究了核壳结构Pt-Au的相变行为及其过程中颗粒结构及形态的变化特征。该结果对于深入理解双金属纳米颗粒稳定性及其相互间的团聚机理提供进一步的理论依据。这一研究成果发表在在美国化学会J Phys Chem C,并作为“封面文章”。
 



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