Liquid-vapor critical behavior of the TIP4P/2005 water model: effects of NaCl solutes and hydrophobic confinement
Johannes Gutenberg-Universität（约翰内斯·古腾堡大学）
研究揭示了NaCl浓度增加导致液-气临界温度和压力升高，而疏水限制使临界点下降，同时强调了范德华截断距离对临界点估计的重要性。
2026-01-05 cond-mat.soft physics.chem-ph
Molecular dynamics study of nanoconfined TIP4P/2005 water: how confinement and temperature affect diffusion and viscosity
在过去的几十年中，大量的努力已经致力于研究限制在纳米级的疏水几何形状（管，狭缝孔）中的水，因为这种系统的多种技术应用，从药物输送到水脱盐设备。据我们所知，无论是数值/理论还是实验方法到目前为止都没有达成一致的理解，在这些条件下的水的结构和传输特性。在这项工作中，我们提出了分子动力学模拟的TIP 4P/2005水在不同的疏水纳米约束（狭缝孔或纳米管，两个疏水度）在很宽的温度范围内。一方面，水在疏水壁附近更加结构化，独立于限制的几何形状。在另一方面，我们表明，限制和曲率的组合效应导致水在疏水纳米管中的扩散系数增强。最后，我们提出了一个封闭的斯托克斯-爱因斯坦关系提取粘度从扩散率，其结果强烈不同于绿色久保已在以前的工作中使用的表达式。我们讨论了这两种方法的缺点，这可以解释这种差异。
2019-12-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Molecular Scale Hydrophobicity in Varying Degree of Planar Hydrophobic Nanoconfinement
我们已经研究了分子尺度的非极性溶质，氩，限制在疏水平面表面与不同的限制宽度。具体地说，我们发现，疏水性表现出非单调的行为与限制宽度。虽然疏水性通常是大的相比，散装值，我们发现一个狭窄的范围内的限制宽度的疏水性显示类似的值，在散装水。此外，我们开发了一个简单的模型，考虑到在nanocolinated几何形状的熵的变化，这使我们能够计算潜在的溶质之间的平均力的条件变化，从散装到不同程度的平面nanocolination。我们的研究结果是重要的，在理解纳米约束诱导的非极性聚合物的稳定性，气体的溶解度，并可能有助于设计更好的系统，提高石油采收率。
2015-01-24 cond-mat.soft
Cavity-ligand binding in a simple two-dimensional water model
在等温等压系综中，通过Monte Carlo计算机模拟，我们研究了疏水配体与各种曲率（平面，凸和凹）的疏水表面的相互作用。一个简单的水，疏水配体和表面的二维模型。研究了水分子限制在分子表面附近的水合/去汗现象。一个显着的去湿的疏水表面一起观察到接近表面的水分子的重新取向。形成氢键网络以容纳靠近表面以及超出第一水化壳的空腔。在具有大曲率的凹表面的情况下，效果最强烈地显著。该简化模型可进一步用于评价疏水配体对接的热力学指纹。
2016-03-07 cond-mat.soft
Sitting at the edge: How biomolecules use hydrophobicity to tune their interactions and function
疏水性表面附近的水类似于在液体-蒸气界面处的水，其中水密度的波动与本体水相比显著增强。在这里，我们使用分子模拟与专门的采样技术，以显示水密度波动同样增强，即使在复杂的生物分子的疏水表面附近，位于去湿过渡的边缘。因此，这些表面附近的水对表面构象、拓扑结构和化学性质的细微变化很敏感，其中任何一种都可以使平衡朝向或远离湿态，从而显著改变生物分子的相互作用和功能。我们的工作还解决了长期存在的难题，即为什么一些生物表面去湿，而其他看似相似的表面却没有。
2011-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Water under hydrophobic confinement: entropy and diffusion
本研究通过分子动力学模拟探究疏水限制壁附近水的扩散，发现邻近壁的水层扩散显著增强，且可用关联扩散速率与超额熵的通用标度律解释，拓展了该定律对水在纳米受限下动力学的描述能力。
2024-12-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Evaporation Rate of Water in Hydrophobic Confinement
疏水空腔的干燥被认为在生物物理现象中起重要作用，例如球状蛋白的折叠、配体门控离子通道的打开和关闭以及配体与疏水口袋的结合。我们使用前向通量采样，分子模拟技术，计算毛细管蒸发率的水限制在两个疏水表面之间的纳米级的间隙，作为间隙，表面尺寸和温度的函数。在所研究的条件范围内（间隙在9 ~ 14 nm之间，表面积在1 ~ 9 nm^2之间），蒸发的自由能垒与疏水表面之间的间隙成线性关系，这表明线张力对自由能垒起主要作用。蒸发速率与限制表面之间的间隙的指数关系导致当间隙从9增加到14 μ m时，蒸发速率降低10个数量级。计算的自由能势垒的顺序为50 kT，主要是双折射。在其他条件相同的情况下，发现单位面积上的蒸发速率在大表面（9 nm^2）的约束下比在小表面（1 nm^2）的约束下快两个数量级。我们表明，这是一个直接后果的溶剂化对象的大小上的疏水水合的依赖。对于足够大的表面，蒸发过程的关键核是一个跨越间隙的圆柱形蒸汽管。
2011-12-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Critical behavior of a water monolayer under hydrophobic confinement
水的性质可以有一个很强的依赖于约束。在这里，我们考虑一个水单分子层nanobolized疏水平行壁之间的条件下，防止其结晶。我们调查，通过模拟的多体粗粒水模型，液体的性质是如何受到约束。我们表明，通过研究的响应函数和相关长度，并通过执行有限尺寸标度的适当的序参数，在低温下的单分子层进行液-液相变结束在一个临界点的普遍性类的二维（2D）伊辛模型。令人惊讶的是，通过减小壁的线性尺寸L，保持壁间距h恒定，我们发现对于L/h~50的液-液临界点的普适性类，即对于与其延伸相比小的单层厚度，存在2D-3D交叉。这一结果与简单液体的实验结果（L/h~5时发生交叉）有很大不同，与实验结果和原子模拟结果一致。我们揭示了这些发现表明，它们是一个后果的强协同性和低配位数的氢键网络的特点水。
2014-03-21 cond-mat.soft
Stabilization of nanobubbles under hydrophobic confinement
最近已经表明，纳米气泡表现出显着的和意想不到的稳定性。在液体内或疏水表面上形成的纳米气泡的寿命可以超过理论预期的10个数量级以上，理论预期预测由于在这样的小气泡中的非常高的拉普拉斯内部压力而几乎立即溶解。纳米气泡的这种意想不到的性质使它们成为能源应用的主要候选者，例如作为燃料电池中的高压纳米反应器，以及用于生物系统，作为将气体递送到膜和细胞的运输系统。在这里，我们使用分子模拟阐明的分子机制占下的疏水纳米约束的纳米气泡的形成和稳定。利用熵反应坐标，我们阐明了成核途径，并确定了纳米气泡在水中的形成自由能限制在碳纳米管。我们确定了一个临界体积的存在nanobubbles是有利的，因为自由能分布nanobubbles围绕这个临界体积，和机械的青睐，因为nanobolined流体压力，沿纳米管轴，在这个接合点是积极的。我们还表明，稳定过程是由碳纳米管的疏水性和在界面处形成强氢键的协助。Caroline Desgranges和Jerome Delhommelle
2019-05-11 cond-mat.soft
Liquid-liquid phase transition of water in hydrophobic and hydrophilic pores
在Gibbs系综下模拟了禁闭对水的液-液相变的影响。在沿着液体-蒸气共存曲线冷却时，受限水经由一级相变（如在本体中）或以依赖于孔亲水性的连续方式经历从正常水到强四面体水的转变。在所有的情况下，转变温度只是轻微移动的限制。这与实验观察到的限制对水的脆到强转变的温度的弱影响一致。
2006-06-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dynamics of 2D Monolayer Confined Water in Hydrophobic and Charged Environments
利用分子动力学模拟，我们研究了水的类水TIP 5 P模型在亲水和疏水限制下的动力学行为。我们发现，在极端的nanocofinement的情况下，只有一个分子层之间的限制表面的水，水的动力学仍然是Arrhenius与一个非常高的活化能高达高温。在极性（亲水性）约束的情况下，水的中间时间尺度动力学被急剧修改，大概是由于偶极子与由于表面电荷引起的有效电场的瞬态耦合。具体地说，我们发现，在极性表面的存在下，单层水的动力学显示异常区域-即横向均方位移显示了一个独特的超扩散中间时间尺度行为，除了弹道和扩散制度。我们通过提出一个简单的模型来解释这些发现。此外，我们发现，禁闭和表面极性改变振动态密度，特别是我们看到的增强的低频集体模式相比，散装水禁闭。最后，我们发现，晶体-取向耦合的长度尺度随着表面极性的增强而增大。
2010-05-13 cond-mat.soft
Molecular Dynamics Simulation Study of Interaction between Model Rough Hydrophobic Surfaces
我们研究了分子粗糙和柔性模型表面之间的疏水相互作用的一些方面。我们在这项工作中使用的模型是基于我们以前使用的模型（Eun，C.; Berkowitz，M. L. J. Phys. Chem. B 2009，113，13222-13228），当时我们研究了脂质膜的模型贴片之间的相互作用。我们最初的模型由两个带有极性头基的石墨烯板组成;这些板浸入水浴中。这种板之间的相互作用可以被认为是亲水相互作用的一个例子。在目前的工作中，我们修改了我们以前的模型，从两性离子头基的电荷。由于该过程，板的特性发生变化;它变得疏水。通过分离板之间的总相互作用（或潜在的平均力，PMF）的直接和水介导的相互作用，我们观察到，后者的变化从排斥到吸引，清楚地强调了水作为介质的重要作用。我们还研究了头基的粗糙度和灵活性对板间相互作用的影响，并观察到粗糙度增强了疏水相互作用的性质。在电荷去除板之间的有限空间中存在去湿转变证实了板之间的相互作用是强疏水的。此外，我们注意到，有一个浅的局部极小值的情况下，电荷删除板的PMF。我们发现，这个最小值与柔性头基经历的构型变化有关，因为两个板被带到一起。
2011-06-01 cond-mat.soft
Dynamical Transitions of Supercooled Water in Graphene oxide Nanopores: Influence of Surface Hydrophobicity
采用分子动力学模拟研究了氧化石墨烯纳米孔中强约束水和轻度过冷水的动力学交叉现象。在相反的研究，禁闭是用来研究散装水的性质，我们感兴趣的是在没有任何散装水的情况下，强承压水的动态过渡。氧化石墨烯表面的物理化学性质对动态转变的影响是通过改变疏水性的程度上的限制表面上放置在10埃的表面间分离，。所有的动力学量显示一个典型的放缓的温度从298到200 K降低，然而，过渡的性质是一个不同的功能的表面类型。在237 K的交叉温度下，亲水区和疏水区之间的水在扩散系数和旋转弛豫时间上表现出从强到强的动力学转变，在238 K时，$α$弛豫时间表现出从弱到强的动力学转变.所观察到的交叉温度远高于本研究中使用的SPC/E水模型的凝固点，表明这些动态转变可以发生在没有大体积水的情况下，在强约束下的温和过冷。相比之下，限制在亲水性孔隙中的水在整个温度范围内显示出单一的Arrhenius能垒。我们的研究结果表明，除了限制，表面的性质可以发挥关键作用，在确定水的动力学过渡过冷。
2020-03-06 cond-mat.soft
Modelling the evaporation of nanoparticle suspensions from heterogeneous surfaces
我们提出了一个基于网格的蒙特卡罗（MC）模型的纳米颗粒悬浮液滴在非均匀表面上的干燥。该模型由一个广义的晶格气，其中的相互作用参数的哈密顿量可以改变模型的不同性质的材料。我们展示了如何正确选择相互作用，以尽量减少底层网格的影响，使半球形液滴的形式。我们还包括表面粗糙度的影响，以检查接触线钉扎动力学的影响。当系统上方有一个“盖子"防止蒸发时，在表面上形成平衡液滴，我们用它来确定接触角以及它如何随着模型参数的变化而变化。这使我们能够将相互作用参数与应用中使用的材料联系起来。该模型也被应用到干燥的异质表面上，特别是悬浮液被沉积在一个表面上的情况下，由一对亲水性导电金属表面的疏水绝缘聚合物带的两侧。这种情况发生在使用喷墨印刷来制造表面的金属部件之间的电连接时。该过程并非总是没有问题，因为液体可以从表面的疏水部分去湿，在干燥过程完成之前破坏桥。MC模型再现所观察到的去湿，允许参数变化，以便可以建立最佳连接的条件。我们表明，如果表面的疏水部分位于相邻金属的高度以下的一个步骤，在干燥过程中的液体去湿的机会显着减少。
2017-06-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Close-contact melting on hydrophobic textured surfaces: Confinement and meniscus effects
本文研究疏水纹理表面的近接触熔化，通过双级数与摄动法分析有效滑移长度，阐明沟槽取向、约束及弯月面对传热和熔化速率的影响，并给出相图与高度演化渐近解。
2025-01-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Structural properties and liquid spinodal of water confined in a hydrophobic environment
我们提出了一个计算机模拟研究的结果TIP4P水被限制在一个疏水无序矩阵的软球过冷时的结晶性能。水的氢键网络似乎保存在这种疏水限制。尽管如此，观察到由于几何约束的氢键的平均数的减少。从350 K到210 K计算了旋节线的液相分支。相同的热力学方案的散装被发现：调幅曲线是单调下降。最大密度线弯曲，避免了与旋节线交叉。然而，最大密度线和旋节线都向更高的压力和更低的温度移动。
2008-04-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Hydrophobic and ionic-interactions in bulk and confined water with implications for collapse and folding of proteins
水和水介导的相互作用决定了蛋白质折叠、蛋白质聚集和在有限空间中自组装的热力学和动力学。为了深入了解水在折叠问题中的作用，我们描述了一些相关模型系统的计算机模拟。二十烷的塌缩动力学表明，在排出水时，线性烃链采用具有1.5圈的有序螺旋发夹结构。二十烷分子的二聚体的结构具有两个彼此垂直堆叠的有序螺旋发夹。作为研究受限空间中折叠的前奏，我们使用模拟来了解纳米液滴中疏水和离子相互作用的变化。在纳米水滴中，疏水和带电物种的溶剂化发生了剧烈的变化。疏水性物种定位在边界处。离子在水密度低的边界处的倾向随着电荷密度的降低而增加。疏水性、极性和带电残基之间的相互作用在密闭空间中也发生了深刻的变化。使用计算机模拟的结果，并占链熵损失后限制，我们认为，然后证明，使用模拟在明确的水，通用两亲性肽序列的有序状态应稳定在圆柱形纳米孔。
2011-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Hydrophobic homopolymer's coil-globule transition and adsorption onto a hydrophobic surface under different conditions
研究使用蒙特卡洛粗粒化模型模拟疏水性均聚物在疏水表面附近的线团-球体转变与吸附，发现狭缝孔限制增强链的展开与吸附，水合水根据热力学参数调节该行为，为无结构蛋白响应外部刺激提供分子机制见解。
2023-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Optimizing fog harvesting by biomimicry
受Stenocara甲虫的启发，我们研究了一个理想的平坦表面组成的一个规则的阵列的亲水性圆形补丁在疏水性矩阵上的倾斜$α$相对于水平。基于在Bond数中的一阶Laplace-Young方程的精确解，对于亲水和疏水接触角的合适范围，对于倾斜角如$45^{\circ}$或$90^\circ$，表面的液体储存容量作为贴片半径的函数被最大化。结果发现，最佳半径同样可以防止从顶部的补丁和溢出底部的去湿。这些理论的考虑进行了验证的玻璃/十八烷基三氯硅烷（OTS）系统，涉及不同的补丁大小和不同的倾角的几个实验。在一个简单的动力学模型中，考虑到通量的雾到表面上或冷凝在适当冷却的表面上，我们发现，最大收获的条件同意的最大静态存储。该方法可以被开发用于液滴存储和液滴运输应用，例如集水系统。
2022-03-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Structure of Water at Hydrophilic and Hydrophobic Interfaces: Raman Spectroscopy of Water Confined in Periodic Mesoporous (Organo)Silicas
利用拉曼振动光谱研究了亲水性介孔硅（MCM-41）和疏水性苯桥联周期性介孔硅（PMO）中水分子结构的温度依赖性。对于毛细填充的孔（75%相对湿度，RH），OH-拉伸区域由位于孔的核心部分中的液态水的贡献主导。它采用块状结构，受到限制和表面疏水性的适度破坏。对于部分填充的孔隙（33%RH），不可冻结吸附膜的结构与毛细填充孔隙中发现的结构完全不同。第一个显著特征是即使在低温（-120 {\textdegree} C）下也不存在低密度无定形冰的拉曼光谱指纹。其次，额外的频带揭示水羟基基团指向不同的水/固体和水/蒸汽界面。对于MCM-41，它们对应于水分子作为与二氧化硅的弱H-键供体，并且悬挂羟基朝向孔的空中心取向。对于苯桥PMO，我们发现了一个额外的类型的悬挂羟基，我们归因于水在疏水固体界面。
2022-01-31 cond-mat.soft
Water-mediated interactions between hydrophobic and ionic species in cylindrical nanopores
本文采用Metropolis Monte Carlo方法和伞形抽样方法计算了两个甲烷分子及其带电衍生物在圆柱形充水孔隙中的相互作用自由能。约束强烈地改变了非极性溶质之间的相互作用，并完全消除了在本体水中看到的溶剂分离最小值（SSM）。自由能分布表明，甲烷分子是在接触或在相应的圆柱形孔的直径和长度的分离。分析计算，估计的溶质，这是在孔表面溶剂化的熵，定性地解释了自由能分布的形状。向甲烷分子中加入符号和大小相反的电荷$0.4e$或$e$（其中$e$是电子电荷），降低了甲烷分子表面溶剂化的趋势，并恢复了SSM。我们表明，约束诱导离子对的形成发生时，$l_B/D \sim O(1)$，其中$l_B$是Bjerrum长度，和$D$是孔径。SSM的稳定程度随着离子电荷密度的增加而增加，只要$l_B/D < 1$。在具有$D \le 1.2$ nm的孔中，其中水强烈分层，将电荷量从$0.4e$增加到$e$会降低SSM的稳定性。结果，促进了在本体中以可忽略的概率发生的离子对形成。在可以容纳溶质周围的完整水化层的较大直径的孔中，SSM的稳定性增强。
2009-01-19 cond-mat.other cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Entropy and enthalpy of interaction between amino acid side chains in nanopores
了解蛋白质在纳米孔中的稳定性需要定量描述限制诱导的氨基酸侧链之间的相互作用。我们使用分子动力学模拟来研究侧链对ALA-PHE、SER-GLU和LYS-GLU之间在本体水和水填充的纳米孔中的相互作用的性质。的温度依赖性的平均力和相互作用的自由能在圆柱形和球形的纳米孔的本体溶剂的潜力是用来确定相应的熵和熵分量。ALA和PHE在本体水中的熵稳定的疏水相互作用取决于侧链之间的相对取向，在限制时在热力学上占主导地位。在SER-β的情况下，在本体水中相似的氢键构型在圆柱形孔中是不同的，从而使旋转异构体分布不同于本体中的那些。值得注意的是，与本体相比，LYS-GLU之间的盐桥形成通过熵来稳定。简要概述了我们的研究结果对限制诱导的蛋白质稳定性改变的影响。
2014-11-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Sparse Sampling of Water Density Fluctuations near Liquid-Vapor Coexistence
自由能的水密度波动在散装水，在界面上，并在疏水限制通知疏水溶质的水合作用，以及它们的相互作用和组装。这种自由能的表征通常使用增强的采样技术，如伞形采样。在伞形抽样中，从相邻的有偏模拟中获得的序参量分布必须重叠，以便估计有偏集合之间的自由能差异。通常需要许多有偏差的模拟来确保这种重叠，这需要陡峭的计算成本。我们最近介绍了一种稀疏采样方法，它通过使用热力学积分来估计有偏系综之间的自由能差，从而避免了重叠要求。在这里，我们建立在和概括稀疏采样的特点，在近液-气共存的系统中的水密度波动的自由能。我们还介绍了明智的选择偏置电位参数和策略，自适应地完善他们，这有利于准确和有效地估计这样的自由能。我们说明了该方法的特点，在一个大的体积在散装水空化的自由能。我们还使用稀疏采样来表征毛细管蒸发的自由能限制在两个疏水板之间的水。在这两种情况下，稀疏采样比伞形采样快近两个数量级。鉴于其效率，稀疏采样方法特别适合于表征系统的自由能景观，其中伞采样是非常昂贵的。
2018-03-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Water under extreme confinement in graphene: Oscillatory dynamics, structure, and hydration pressure explained as a function of the confinement width
石墨烯纳米通道与其可能的应用有关，例如在水净化中，以及理解它们如何改变受限液体的性质的挑战。在这里，我们使用全原子分子动力学模拟调查水限制在一个开放的石墨烯狭缝孔作为其宽度的函数$w$，下降到亚纳米尺度。我们发现，水的平移和旋转动力学表现出振荡依赖于$w$，由于水分层。动力学中的振荡与水合压力中的振荡相关，水合压力可以是负的（疏水吸引力），或高达$\sim 1$ GPa，如实验中所见。在孔隙宽度与全层一致时（一层和两层分别在$7.0$ λ和$9.5$ λ附近），体系的自由能最小，水化压力为零。在这些分离处，承压水的动力学减慢。然而，在自由能具有最大值的地方，即，对于那些与良好分离层的形成不相容的孔宽度，如$w\simeq 8.0$。在这些$w$值附近，动力学比本体更快，水从孔隙中挤出。对于受限的简单液体，或者对于封闭的纳米孔中的水，都没有观察到这种行为。自由能的分解阐明了动力学加速和减速的起源。特别是，我们发现，减速的性质取决于水层的数量：对于两层，这是由于内能的贡献，在简单的液体，而对于一层，它有一个熵的起源可能是由于存在的氢键网络在水中。我们的研究结果揭示了承压水的动力学和热力学机制，并为今后的实验提供了指导。
2021-03-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The Excess Proton at the Air-Water Interface: The Role of Instantaneous Liquid Interfaces
水表面pH值的大小仍然是水界面物理化学中一个有争议的话题。最近的理论研究表明，与本体\cite{baer2014toward}相比，质子很少或没有优先位于表面。使用从头算分子动力学模拟，我们重新审视的倾向，过量的质子的空气-水界面的瞬时液体界面的作用，特别关注。我们发现质子倾向于水的表面。质子周围增强的水结构导致存在平行于表面的质子线以及由欠协调拓扑缺陷水分子组成的疏水环境，这两者都为质子限制在表面创造了有利条件。结构化水层内的Grotthuss机制涉及协调一致和紧密间隔的逐步质子跳跃的混合物。质子在第一溶剂化层内靠近或沿着瞬时界面进行漂移。
2017-03-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Plug Flow and Cavitation in Rough Lubricated Contacts: Molecular Dynamics of Single- vs. Two-Component Fluids
Materials Science and Engineering, Campus C6.3, Saarbrücken, 66123, Germany（材料科学与工程）
研究粗糙润滑接触中塞流与空化，通过非平衡分子动力学模拟，在相同几何条件下比较水、正十二烷及双流体润滑，发现混合润滑剂摩擦和材料转移最低，能保持塞流，还揭示了单组分润滑剂相关特性及空化机制。
2026-09-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
