[发明专利]基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法

说明书

本发明公开了一种基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法，包括以下步骤：根据化学位的统计热力学得到一个递归模型：；通过分子动力学模拟计算得到占据体积以及不同尺寸胶束的化学位后，采用所述述递归模型将(n+1)聚体的浓度表达成了单体和n聚体浓度的解析函数。于是若以单体浓度为起点，利用该递归方程可以依次计算出不同尺寸的n聚体的浓度，n=2,3...，从而推导得出CMC大小。本发明提供的方法可以应用于多种类型的表面活性剂。

技术领域

本发明属于表面活性剂技术领域，具体涉及一种基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法。

背景技术

表面活性剂是由疏水基团和亲水基团组成的一类广泛应用于消费品、材料合成、催化过程和化学工业的功能性分子。临界胶束浓度(CMC)是表面活性剂最重要的性质之一，它决定了表面活性剂在溶液和表面的浓度分配，从而在很大程度上影响表面活性剂的性能。通过第一性原理计算预测表面活性剂分子临界胶束浓度可以用更小的成本更高效的筛选分子。此外，计算模拟还可以阐明实验难以描述的与聚合相关的结构和能量变化的微观细节，这些信息对设计新分子或改进已知表面活性剂分子具有很高的应用价值。

实验上一般通过电导率、表面张力、光散射光谱等方法来检测表面活性剂溶液相关性质随表面活性剂分子浓度的变化情况。计算模拟方面同样可以通过分子动力学或者蒙特卡洛模拟表面活性剂溶液体系随溶液浓度的变化。通过在临界胶束浓度附近这些测试性质的突变情况可以确定临界胶束浓度的大小。另外从理论角度出发，也可以通过单链平均场(SCMF)法来预测CMC。

分子动力学(MD)模拟已用于某些特殊表面活性剂分子的CMC预测。但是，由于模拟体系时间和空间尺度的限制，对于大部分表面活性剂分子通常难以直接预测。一般表面活性剂分子的CMC在10^-3至10^-6mol/L之间。假如要模拟浓度处在CMC左右的表面活性剂溶液，为了在模拟盒中放置1000个表面活性剂分子，以便形成足够数量的聚合体，所需的水分子数量约为5.5×10⁸，并且模拟体系的尺寸至少必须达到255×255×255nm³。此外，胶束形成由缓慢的扩散和聚合动力学控制，至少需要毫秒级别的模拟才能得到足够的统计样本。然而在目前的计算机硬件水平下实现这一空间和时间尺度的分子动力学模拟的代价是相当昂贵的。为了解决模拟尺度的限制问题，不同的研究团队基于蒙特卡罗方法、粗粒化力场、耗散粒子动力学、隐式溶剂模型和增强采样法开发了多种不同技术策略。然而，这个问题并未得到完全解决，目前大多数预测工作仍仅局限于具有相对较高CMC的离子表面活性剂。

理论方法固然可以克服模拟的空间和时间尺度问题。譬如考虑了分子构象和分子间相互作用的单链平均场(SCMF)理论也被逐渐发展为预测CMC的一种方法，不过这些基础模型由于其模型本身的近似和简化，用于实际表面活性剂体系预测时容易带来较大的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法，包括以下步骤：

首先将化学位的统计热力学表达式分解为理想和超额两部分贡献：

其中k_B是玻尔兹曼常数，Λ是粒子的德布罗意波长，V和N分别是体系的体积和粒子数，Z_N+1和Z_N分别是(N+1)个粒子和N个粒子体系的构型积分；

结合分步增长模型，即假设一个(n+1)聚体是由一个n聚体与一个单体相结合产生，在平衡状态下，有如下关系：

μ_n+1-μ_n-μ₁＝0