A water structure indicator suitable for generic contexts: two-liquid behavior at hydration and nanoconfinement conditions and a molecular approach to hydrophobicity and wetting
本研究提出一种适用于水合、纳米限域等通用场景的新型水结构指数，揭示水的双液行为分子机制，可准确度量疏水性、预测润湿转变，为生物物理与材料科学领域研究水的作用提供新工具。
2024-04-13 cond-mat.soft
Probabilistic approach to the length-scale dependence of the effect of water hydrogen bonding on hydrophobic hydration
我们提出了一种水-水氢键的概率方法，该方法允许获得每个水分子的键数作为其与疏水性颗粒的距离和疏水性半径的函数的解析表达式。这种方法可以用于密度泛函理论（DFT）和计算机模拟，以检查粒子的水合作用和溶剂介导的相互作用的颗粒尺寸的影响。例如，它允许一个明确地确定水氢键贡献的外部电位，其中一个水分子受到附近的疏水。该模型的DFT实现预测的水合自由能每单位面积的球形疏水物是急剧敏感的疏水物半径为小半径和弱敏感，大的，这证实了小和大的长度尺度的粒子通过不同的机制发生的水合的愿景。另一方面，该模型预测，即使是足够小的半径的非极性粒子的水合作用可能会成为philically有利的，由于成对（分散）水-水和水-疏水相互作用的能量的相互作用。这揭示了以前的反直觉观察（理论和模拟），两个惰性气体分子更喜欢形成溶剂分离的对，而不是接触的对。
2013-03-18 cond-mat.soft physics.chem-ph
Dissecting Hydrophobic Hydration and Association
我们使用适当定义的短程参考模型的液态水澄清不同的角色，当地的氢键，范德华吸引力，和远程静电相互作用发挥在水中的非极性溶质的溶剂化和协会。虽然局部氢键相互作用主导涉及小溶质的疏水效应，但发现更长范围的静电和分散相互作用在描述大溶质周围的界面结构中越来越重要。氢键网络设置溶质长度尺度，在该尺度下观察到这些小和大长度尺度制度之间的溶剂化行为的交叉。不平衡的长程作用力作用于界面水分子在疏水缔合中也很重要，在这里通过分析模型甲烷和巴克敏斯特富勒烯溶质的缔合来说明。
2015-02-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
System size dependence of hydration shell occupancy
排空溶质周围的第一水合壳层和由第一水合壳层限定的空腔的自由能取决于系统尺寸。用准化学理论解释的这一观察结果表明，亲水性和疏水性对水合作用的贡献都取决于系统尺寸，并随着系统尺寸的增加而减小。虽然净水合自由能受益于亲水性和疏水性贡献的平衡，但仍需要一个大系统来描述溶剂对大分子的影响。
2019-07-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
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
Hydration Free Energies of Linear Alkanes: Systematic Deviations in Common Water Models and Their Correction
本文通过自由能扰动法计算直链烷烃的水合自由能，发现常见水模型高估了水合自由能，通过重新参数化Lennard-Jones势能井深度修正了模拟结果，提升了与实验数据的一致性。
2026-05-08 cond-mat.soft
Heat Capacity Effects Associated with the Hydrophobic Hydration and Interaction of Simple Solutes: A Detailed Structural and Energetical Analysis Based on MD Simulations
我们研究了SPCE和TIP 5 P水模型，以研究与氙粒子的疏水水合和相互作用相关的热容效应。我们采用Widom粒子插入技术计算氙的过剩化学势。溶剂化焓和过剩热容量从化学势的温度依赖性获得，或者直接通过埃瓦尔德求和以及基于反应场的方法获得。所有三种不同的方法都提供了一致的结果。反应场方法允许将各个组分的溶剂化热容量分离成溶质/溶剂和溶剂/溶剂部分，揭示溶剂/溶剂部分作为主要贡献。在不同间隔处围绕一对氙粒子的水分子的热容量的详细空间分析揭示，在两个氙原子之间的二等分平面中的水分子的热容量的增强是在去溶剂化势垒处观察到的热容量的最大值的原因，最近由Shimizu和Chan报道（{ \em J. Am. Chem. Soc.}，{ \bf 123}，2083- 2084（2001））。在联合氙-氙水化壳的凹部中的水的热容量增大了约60%，这是随着温度的升高而增强的氢键和增强的氢键断裂的反作用的结果。两种模型在氙-氙接触状态下热容的差异归因于水模型体热容的不同，以及疏水颗粒引入的结构效应在空间上的不同延伸。讨论了联合氙-氙水化壳层中水的不同状态之间的相似性和拉伸水的性质。
2004-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Characterizing Hydration Properties Based on the Orientational Structure of Interfacial Water Molecules
在这篇手稿中，我们提出了一个通用的计算方法来表征从原子模拟采样的液态水界面的分子结构。该方法通过对界面水分子取向构型的统计分析，对界面结构进行了量化。该方法可用于生成非均质表面水化性质的位置相关图。我们提出了一个应用程序的表面疏水性的表征，我们用它来分析模拟的水合蛋白质。我们证明，这种方法能够揭示蛋白质水化壳的集体动力学的微观细节。
2017-08-23 cond-mat.soft
Spectroscopic Signatures of the Dynamical Hydrophobic Solvation Shell Formation
当水中的亲水性溶质突然变成疏水性物质时，例如，通过光电离，在几皮秒的时间尺度上在溶质周围形成一层水合水分子。我们研究了动态建立的水化壳周围的疏水性溶质的基础上，随时间变化的介电连续模型。有关溶剂的信息是光谱提取的测试偶极子内的静态Onsager球在非平衡溶剂的弛豫动力学。的生长过程中描述的现象在两种方法。首先，我们考虑一个随时间变化的水化层的厚度从零增长到一个有限的值在有限的时间。第二，我们假设一个时间依赖的复介电常数在一个有限的层区域周围的Onsager球。该层被建模为具有慢得多的波动动力学的连续电介质。我们发现一个随时间变化的频率偏移下降到蓝色的偶极子的共振吸收，连同一个动态减小的线宽，相比散装水。蓝移反映了对本体溶剂的氢键网络所做的功，并且是可直接测量的量。我们的结果与碘在水中的疏水溶剂化实验一致。
2022-01-30 cond-mat.soft
A structural determinant of the behavior of water at hydration and nanoconfinement conditions
本文揭示水要求第二分子壳层收缩和重取向以补偿配位缺陷的分子原理，该原理是两种液体情景的核心，决定水在水和纳米限制下的行为，并可用于定义润湿性条件以阐明水的积极作用。
2024-08-24 cond-mat.soft
Effects of lengthscales and attractions on the collapse of hydrophobic polymers in water
我们目前的结果从广泛的分子动力学模拟的疏水聚合物在明确的水的崩溃过渡集中在理解的疏水表面的长度尺度和有吸引力的相互作用对折叠的影响。疏水聚合物显示抛物线，蛋白质样，温度依赖性的展开自由能。小的有吸引力的聚合物的折叠状态在300 K下是勉强稳定的，并且可以通过加热或冷却来展开。增加长度尺度或降低聚合物-水吸引力显著稳定折叠状态，前者由水合贡献主导。该水合作用贡献可以通过表面张力模型$ΔG=γ(T)ΔA$来描述，其中表面张力$γ$是长度尺度依赖性的并且随温度单调减小。所得到的水合熵随聚合物长度尺度的变化与Huang和Chandler（Proc.Natl. Acad.科学，97，8324-8327，2000），其解释了在蛋白质折叠热力学中观察到的熵收敛的模糊。水的结构分析表明，聚合物-水疏水界面是软的，弱去湿，其特征在于增强界面密度波动。这种界面的形成，诱导聚合物折叠，是强烈反对的焓和熵的青睐，类似于汽-液界面。
2007-01-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Modeling hydration water and its role in polymer folding
疏水效应是驱使蛋白质趋向其天然状态的主导力量，但其物理机制尚未被完全理解。我们介绍了一个完全可解模型的非极性分子在水中的溶剂化，这表明，当溶质存在时，水分子的允许配置的数量减少，足以引起疏水行为。我们将我们的模型应用于水溶液中的非极性均聚物，获得了“冷”和“暖”塌陷转变的明确证据，这些证据可以回忆起蛋白质。最后，我们展示了如何该模型可以适用于描述芳香族和极性分子的溶剂化。
2002-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Long-Range Interactions Dominate the Inverse-Temperature Dependence of Polypeptide Hydration Free Energies
直接，全原子计算的自由能水溶液的十丙氨酸结构-整体上包括骨干和侧链相互作用在一起-表明，有吸引力的相互作用和热膨胀的溶剂解释的逆温度签名，已被解释为有利于传统的疏水机制稳定的结构和功能的可溶性蛋白质。
2019-01-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Hydrophobic hydration driven self-assembly of Curcumin in water: Similarities to nucleation and growth under large metastability, and an analysis of water dynamics at heterogeneous surfaces
由于姜黄素的有益作用经常被报道限于其小浓度，我们进行了一项研究，通过改变单体的数量来发现姜黄素在水中的聚集特性。我们的分子动力学模拟结果表明，当我们改变姜黄素单体的数量从4到16单体的平衡结构总是一个显着的结构重排的聚集态。我们发现姜黄素单体以非常明确的模式形成簇，其中它们倾向于以苯环的平行和反平行取向聚集，这通常见于蛋白质中β-折叠的形成。随着系统大小从12个增加到16个姜黄素单体，观察到平行排列的群体有相当大的增强。由于大系统尺寸的这种平行排列的普遍性，形成具有最大数量的疏水接触的更紧密堆积的簇。我们还遵循集群增长的途径，特别是从最初的隔离到最终的聚集状态的过渡。我们发现存在一个亚稳态的结构中间体，涉及一些中等大小的集群分散在解决方案中。聚集过程与高度亚稳态下的成核和生长过程相似。最终的聚集形式保持稳定，从其隔离的疏水核中完全排除水。我们还调查了集群表面附近的水结构以及它们的取向。我们发现，水分子形成一个扭曲的四面体的几何形状在第一溶剂化层的簇，强烈的相互作用与亲水基团在姜黄素的表面。姜黄素簇表面附近的这种准结合水分子的动力学比本体慢得多，这表明在蛋白质水化层中经常发现的受限运动。
2014-06-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
The dependence of hydrophobic interactions on the solute size
基于我们最近对疏水效应的物理起源的研究，这是适用于调查的溶质尺寸的疏水相互作用的依赖性。当两种相同的疏水性溶质溶解于水中时，测定了水合自由能，并计算出临界半径（Rc）为3.2埃。以Rc为参考，溶解行为可分为初始和疏水溶剂化过程。这些可以通过对C60-C60富勒烯在水中和CH4-CH4分子在水中的分子动力学模拟来证明。在C60富勒烯与水的缔合过程中，随着C60富勒烯之间的分离度降低，疏水作用可分别分为H1w和H2s疏水过程。此外，可以推导出，最大化氢键提供了疏水溶质在水中缔合的驱动力。
2018-03-06 cond-mat.soft physics.chem-ph
Model for the hydration of non-polar compounds and polymers
我们引入了一个完全可解的非极性化合物的水化的热力学力学模型，基于分组水分子在簇中发生氢键和各向同性的相互作用，簇之间的相互作用被忽略。分析结果表明，在溶质的存在下，氢键的有效加强，连同水分子的几何重组，足以产生疏水行为。我们扩展我们的模型来描述一个非极性均聚物在水溶液中，获得一个明确的证据“冷”和“暖”的溶胀过渡。这表明，我们的模型可能是相关的描述蛋白质折叠的一些特点。
2002-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Classification of interfacial water governed by water-polymer interactions in hydrated polymers: A molecular dynamics simulation study of ethylene-based and acrylate polymers
The University of Osaka（大阪大学）
通过分子动力学模拟，研究七种水合聚合物中水-聚合物相互作用对界面水行为的影响，将水合类型分为高度水合、疏水和柔性水合三类。
2026-05-09 cond-mat.soft
Hydration of an apolar solute in a two-dimensional waterlike lattice fluid
在以前的工作中，我们研究了一个二维格子流体模型，显示出一些水的热力学异常。该模型，定义在一个三角形晶格，现在扩展到非极性物种的水溶液。水分子是“奔驰”型的，即，它们具有D3（等边三角形）对称性，具有三个等价的键臂。键的形成取决于取向和局部密度。惰性分子的插入显示疏水水合的典型特征：大的正转移自由能、大的负转移熵（在低温下）、转移焓和熵的强温度依赖性，即，大（正）传递热容量。模型的性质是由一个广义的一阶近似三角形集群。
2005-01-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Phase behavior of C18 monoglyceride in hydrophobic solutions
本文采用一系列不同的技术来分析单甘酯在油中的物理性质和相变。与MG在水或水溶液体系中的许多研究相反，我们发现在不同浓度和温度下的相结构存在显着差异。通过向我们的基础MG/油体系中加入少量水，我们测试了表面活性剂头基的水合作用及其对相行为的影响。用量热法测定了相图，并记录了不同条件下相图的普遍特征。报告了两个有序相：反层状凝胶相和亚α结晶凝胶相。这个序列是非常不同的MG/水的结构，其最显着的特点是建立一个2D密集的六角顺序的甘油头在中间的反层状双层。通过温度扫描检查流变学，以证明凝胶化现象，这从冷却/有序化过程中的层状相的开始。
2008-08-22 cond-mat.soft
Depolarized light scattering and dielectric response of a peptide dissolved in water
体相水的密度和取向弛豫可以分别用去偏振光散射（DLS）和介电谱（DS）来研究。在这里，我们问的问题是什么是负责极化各向异性弛豫（DLS）和偶极矩弛豫（DS）的解决方案，主要涉及疏水性溶质-水界面的领导集体模式。采用原子分子动力学模拟方法，研究了N-乙酰亮氨酸甲酰胺（NALM）二肽与水分子相互作用的动力学和结构。溶液的DLS响应与三个弛豫过程一致：本体水，单个溶质的旋转，和集体偶极诱导偶极极化率的溶质，与时间尺度为130-200 ps。没有单独的DLS响应的水化壳层已被确定由我们的模拟。水化层的密度波动，这在很大程度上有助于响应，不产生不同于散装水的动态过程。我们发现，二肽溶质的水化水的取向分布的结构扰动是相当显着的，并传播3-5水化层到本体。这种扰动仍然低于水合球状蛋白质产生的扰动。尽管这种结构扰动，有很少的变化，在水化层的取向动力学，相比，散装，探测由单粒子取向动力学和集体动力学的壳的偶极矩。溶质-溶剂相互作用势对界面结构的扰动和相应力对界面动力学的扰动有明显的区别。
2013-12-04 cond-mat.soft
Influence of Surface Hydrophilicity and Hydration on the Rotational Relaxation of Supercooled Water on Graphene Oxide Surfaces
水合或界面水存在于生物分子和无机固体已被证明表现出动态过渡时过冷。然而，了解的程度的基础表面的亲水性以及亲水/疏水补丁的动态过渡的局部分布是未探索的。在这里，我们使用分子动力学模拟与TIP 4P/2005水模型研究石墨烯表面上的界面水的平移和旋转弛豫动力学。本研究的目的是调查两个表面化学的影响，以及在深度过冷区域的氧化石墨烯（GO）表面上的界面水的旋转转变的水合程度。我们已经考虑了三种基于石墨烯的表面;在条纹拓扑结构中具有相等比例的氧化和原始石墨烯区域的GO表面、完全氧化的表面和原始石墨烯表面。在210-298 K温度范围内，界面水的偶极弛豫时间分别表现为强-强、强和脆-强的相变。相比之下，散装水表现出脆弱的强过渡后过冷。在所有这些情况下，在高水合，界面水共存的厚水膜与散装一样的性能。为了研究散装水对动态转变的影响，我们模拟了一个低水合制度，其中只有束缚水（表面水）存在于GO表面上，并发现GO和完全氧化的表面上的表面水的旋转弛豫表现出单一的Arrhenius行为。我们的研究结果表明，不仅局部的表面亲水性程度发挥了作用，在确定的能量景观探索的水分子过冷时，但散装水的存在下也调制的动态过渡。
2020-03-23 cond-mat.soft
Extended surfaces modulate and can catalyze hydrophobic effects
接口是复杂系统中最常见的主题。为了了解界面的存在如何影响疏水现象，我们使用分子模拟和理论来研究界面处溶质的水合作用。溶质的尺寸范围从亚纳米到几纳米。界面是具有从亲水性到疏水性的一系列化学性质的自组装单分子层。我们表明，在附近的疏水表面组装的驱动力是弱于散装水，并随着温度的升高而降低，在相反的散装。我们用界面涨落和排除体积效应之间的相互作用来解释这些不同的特征-Lum-Chandler-Weeks理论中的物理编码[J. Phys. Chem. B 103，4570- 4577（1999）]。我们的研究结果表明，疏水界面在蛋白质的展开，例如，在内部的伴侣蛋白和淀粉样蛋白的形成中的催化作用。
2011-08-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Characterizing the Interplay between Polymer Solvation and Conformation
柔性分子的构象转变，特别是那些由疏水效应驱动的构象转变，往往会受到去溶剂化障碍的阻碍。对于这样的转变，因此重要的是表征和理解溶剂化和构象之间的相互作用。使用专门的分子模拟，在这里，我们进行这样的表征在水中溶解的疏水性聚合物。我们发现，一个外部的潜在的，这不利于扰动的聚合物水合水，可以触发线圈到球或崩溃过渡，和崩溃和扩展状态的相对稳定性可以量化的强度所需的潜力。我们的研究结果还提供了机制的崩溃过渡的见解，突出了聚合物崩溃收益通过形成一个足够大的非极性集群，集体水密度波动在稳定这样的集群中发挥了重要作用。我们还研究了在辛烷，一种非极性溶剂中的疏水聚合物的崩溃，有趣的是，我们发现，过渡的机械细节是定性类似于在水中。
2021-03-13 cond-mat.soft
Ions at hydrophobic interfaces
我们认为，kosmotropes保持强烈的水化在附近的疏水表面，而离液剂失去其水化壳，可以成为吸附到界面。吸附的机制仍然是一个争论的主题。我们认为，有两个驱动力的阴离子吸附：疏水空化能和水的界面静电表面电位。虽然空化对离子吸附的贡献现在被广泛接受，但静电表面电位的作用却不太清楚。困难的是，甚至这个潜在的符号是一个有争议的主题，从头算和经典力场模拟预测静电表面电位的相反符号。在本文中，我们将认为，强阴离子吸附中发现的极化力场模拟是人工静电表面电位存在于经典的水模型的结果。我们将表明，如果吸附的阴离子是大的可极化力场模拟预测的，过量的表面张力的碘化钠溶液将是强烈的负，相反的实验测量。虽然重卤化物的大极化率是一个基本属性，必须包括在现实的建模的电解质溶液，我们认为，点电荷水模型，研究到目前为止，是不兼容的极化离子力场时，平移对称性被打破。未来的目标应该是发展具有非常低的静电表面电位的水模型。我们相信，这样的水模型将是兼容的极化力场，然后可以用来研究离子与疏水表面和蛋白质的相互作用。
2018-02-13 cond-mat.soft
The temperature and length scale dependence of solvation properties of spherical hard solvophobic solutes is investigated in the Jagla liquid, a simple liquid that consists of particles interacting via a spherically symmetric potential combining a hard core repulsion and a longer ranged soft core interaction, yet exhibits water-like anomalies. The results are compared with equivalent calculations for a model of a typical atomic liquid, the Lennard-Jones (LJ) potential, and with predictions for hydrophobic solvation in water using the cavity equation of state and the extended simple point charg…
2012-11-01 cond-mat.soft
Hydrophobic Interaction Model for Upper and Lower Critical Solution Temperatures
水化的疏水溶质在水中是不同的现象，包括疏水热容量异常，这还没有完全理解的原因。由于其时事性，最近人们对疏水聚集的机理及其所基于的物理学越来越感兴趣。在这项研究中，我们使用一个简单而强大的混合物模型的水，一个适应的两个状态的Muller-Lee-Graziano模型，描述的能级的水分子作为其接近非极性溶质分子的函数。该模型提供了一个适当的描述疏水溶质颗粒之间的多体相互作用。通过详细的蒙特卡罗模拟研究了疏水物质在一阶聚集相变附近的溶解度和聚集。一个闭环共存曲线被发现，这是一致的平均场计算进行了相同的系统。此外，在溶液中的离液物质的失稳效果进行了研究，通过适当的修改MLG模型。这些研究结果表明，一个简单的模型的疏水相互作用可能包含的主要物理过程中涉及的疏水聚集和离液效应。
2003-05-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
Distinguishing dynamical features of water inside protein hydration layer: Distribution reveals what is hidden behind the average
自Pethig、Grant和Wuthrich关于蛋白质水化层的开创性工作以来，许多研究都致力于找出是否存在任何普遍和普遍的特征，可以将蛋白质水化层内的水分子与体相区分。鉴于表面本身因蛋白质而异，并且每个面向水的表面都是异质的，寻找通用特征一直是难以捉摸的。在这里，我们进行原子分子动力学模拟，以提出和证明，这样的定义特性可以出现，如果我们不看平均性能，但弛豫时间的分布。我们提出了四种不同的蛋白质-水系统的停留时间和旋转弛豫时间的分布的计算结果，并比较它们与相同数量的散装。由于同时存在形成弱氢键的肽骨架、不形成氢键的疏水氨基酸侧链和与周围水分子形成强氢键的带电极性基团，因此水合层中的分布在性质上是异常宽和对数正态的。宽的分布是负责的非指数介电响应，也同意与大的比热的水化水。我们的计算表明，虽然平均时间常数仅比散装水大2-3倍，但它不能很好地代表真实行为。特别是，平均值导致错误的结论，即水化层中的水是块状的。然而，所观察到的和计算出的较低的静态水化层的介电常数值仍然难以调和的广泛分布中观察到的动态性能。我们对这些独特的性质提供了一个合理的解释。
2017-08-01 cond-mat.soft q-bio.BM
Solvation of Nonionic Poly(Ethylene Oxide) Surfactant Brij 35 in Organic and Aqueous-Organic Solvents
假设：通过将实验小角和广角X射线散射（SWAXS）方法与分子动力学模拟和理论“补充系统方法”相结合，可以获得关于分子内和分子间结构以及表面活性剂在有机和混合溶剂中的溶剂化和水合的动力学的详细信息，例如，非离子表面活性剂Brij 35（C12 E23）在醇类和含水富醇三元体系中的作用。这第一个应用程序的补充系统的方法，表面活性剂系统将促进使用这种强大的方法，是基于实验和计算的SWAXS数据在胶体系统的研究。通过应用高性能的计算系统，这种方法是很容易在胶体域的研究。实验：在25 °C下对二元Brij 35/醇和三元Brij 35/水/醇体系进行SWAXS实验和MD模拟，其中乙醇、正丁醇和正己醇作为有机溶剂组分。调查结果：我们证实了溶剂化Brij 35单体在所研究的有机介质中的存在，揭示了它们的优先水合作用，并讨论了它们在分子内和分子间水平上的结构和动力学特征。发现了各向异性的有效表面活性剂分子构象，解释了有机溶剂的疏水性对表面活性剂分子水合现象的影响。
2021-03-25 cond-mat.soft
Understanding diffusion and density anomaly in a coarse-grained model for water confined between hydrophobic walls
我们研究，通过蒙特卡罗模拟，一个粗粒度的模型，在部分水化的疏水壁之间的水单层，与壁到壁的距离约为0.5 nm。我们分析了平行于壁的扩散常数，$D_{\parallel}$，如何改变和相关的系统的相图。我们发现一个轨迹的$D_{\parallel}$最大值和轨迹的$D_{\parallel}$最小值沿等温线，与线的恒定$D_{\parallel}$类似的散装水的熔点线。$D_{\parallel}$极值的两个轨迹包封在恒定$P$时密度最大值的温度线上。我们展示了这些位点是如何与由于氢键的异常体积行为。在低得多的$T$，承压水成为subdiffusive，我们讨论了这种行为是如何增加水分子之间的相关性时，氢键网络的发展。在subdiffusive区域内，虽然翻译在很大程度上受到阻碍，我们观察到，氢键网络可以平衡，其重排是负责沿等压线的密度极小值的外观。我们澄清，最小值不一定与氢键网络的饱和度。
2011-09-13 cond-mat.soft physics.chem-ph
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
Molecular-Scale Hydrophilicity Induced by Solute: Molecular-thick Charged Pancakes of Aqueous Salt Solution on Hydrophobic Carbon-based Surfaces
我们直接观察到分子厚的盐水溶液煎饼在疏水石墨表面的环境条件下，采用原子力显微镜。该观察结果表明盐溶液在石墨表面上具有意想不到的分子级亲水性，这不同于液滴在石墨表面上的宏观润湿性质。有趣的是，煎饼自发地表现出强烈的正电荷行为。理论研究表明，这种带正电荷的煎饼的形成归因于水溶液中的Na+离子与石墨表面上的芳环之间的阳离子-π相互作用，促进了水分子与阳离子一起吸附到石墨表面上;即，Na+离子作为介质，在一侧通过阳离子-π相互作用吸附到石墨表面，同时在另一侧通过水合相互作用在分子尺度上与水分子键合。这些发现表明，关于碳基石墨表面的实际相互作用，包括石墨烯、碳纳米管和生物炭的相互作用，可能与现有理论有显著不同，它们为控制表面润湿性、相互作用和相关的物理、化学和生物过程提供了新的见解。
2014-10-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Effective dielectric constant of water at the interface with charged C$_{60}$ fullerenes
采用分子动力学数值模拟方法，对巴克敏斯特富勒烯C $_{60}$的中性态和带电态进行了模拟，计算了界面水的偶极极化率和相应的界面介电常数.介电常数在10- 22之间，随温度和溶质电荷的变化而变化，水化水发生结构交叉。其主要签名包括指向溶质的悬挂O-H键的释放和水合水的优先取向的变化，从那些特征疏水带电基板。界面介电常数标志着具有尖峰的结构转变。这里采用的计算形式主义提供了直接访问界面磁化率从计算机模拟产生的配置。所需的属性是溶剂化壳的偶极矩的径向投影和溶质内部溶剂的静电势之间的互相关。
2019-01-02 cond-mat.soft physics.chem-ph
A note on the effective slip properties for microchannel flows with ultra-hydrophobic surfaces
一种类型的超疏水表面由具有凹槽阵列的固体平面边界组成，由于表面张力的作用，所述凹槽阵列防止壁的完全润湿。当凹槽与流动对齐时，效果最大。凹槽中的液体和气体之间的压力差导致液体表面的弯曲，该弯曲受到表面张力的抵抗。本文研究了这种表面变形的影响。从理论上分析了曲率对有效滑移长度的修正，并与现有数据和有关数学模型进行了比较。
2006-11-04 cond-mat.soft nlin.SI physics.flu-dyn
Amino acid preference against beta sheet through allowing backbone hydration enabled by the presence of cation
已知β折叠中水和肽基团PG之间的氢键HB的肽侧链的空间阻断符合氨基酸固有β折叠偏好。目前的观察结果与量子分子动力学，QMD，模拟与每个水分子溶剂化的β折叠，这将是短暂的性质表明，这种空间阻断是不适用于疏水区，除非阳离子存在，因此，氨基酸β折叠偏好由于这种空间阻断是只在阳离子的存在下是有效的。我们观察到在没有阳离子存在的情况下，聚丙氨酸和聚缬氨酸α螺旋中的主链水合，但阳离子可以增加这些HB的强度。平行β折叠具有比相等小尺寸的反平行β折叠更大的趋势以在溶剂化QMD中保留规则结构，并且使用4链4间PG HB链平行β折叠。通过一个表面是聚缬氨酸来增强稳定性，其支撑用于实验的相对表面。一个单一的Ca2+离子被用于调查的个别结合事件，而不是散装性能。在这些模拟中没有观察到Ca2+和PG氧之间的直接结合，但随着瞬时β折叠的展开，它可能发生在更长的时间尺度上。当对肽共振、共振辅助氢键和水的性质准确的线性缩放QMD方法变得可用时，可以以可接受的计算成本进行具有多种类型的多种离子的更广泛的实验。重要的是，这样的调查进行蛋白质的二级结构，而不是模型酰胺，使侧链限制的骨干水合作用，因此内在的氨基酸倾向被捕获。
2016-10-03 cond-mat.soft physics.chem-ph q-bio.BM
Modeling polyelectrolyte hydration from a multi scale polarizable pseudo particle solvent coarse grained approach
本研究通过多尺度极化伪粒子粗粒化方法模拟聚电解质水合作用，发现强短程阻尼对模拟NaCl溶液至关重要，并建议在无限稀释条件下单独模拟聚电解质聚合物以准确计算相互作用能。
2023-12-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Effect of pressure on the phase behavior and structure of water confined between nanoscale hydrophobic and hydrophilic plates
我们进行了系统的分子动力学模拟的水限制在两个纳米板在T=300 K。我们研究了压力（-0.15 GPa <= P <= 0.2 GPa）和板间距（0.4 nm <= d <= 1.6 nm）对水的相行为的影响。当水被限制在疏水板之间时，在足够低的P下在板之间发生毛细蒸发。发生这种转变的d的阈值随着P而减小（例如，1.6 0.0 5GPa时为0.5nm; 0.1GPa时为0.5nm），直至高P时不发生毛细蒸发。当d ~ 0.6 nm且P >= 0.1 GPa时，系统结晶为双层冰。提出了一个显示汽相、液相和双层冰相的P-d相图。当水被亲水性（羟基化二氧化硅）板限制时，它在所研究的所有P和d处保持在液相中。有趣的是，我们观察到，在这种情况下，即使在P散装水空化，承压水保持在液态。系统地研究了两种板材在不同磷浓度下的水化状态。对于这里研究的条件范围内，我们发现，在疏水板的存在下，P的效果是提高水的结构和水分子推向板。疏水板旁边的水分子的平均取向在加压时不改变。相比之下，在亲水性板的存在下，水结构是不敏感的P。因此，我们的研究结果表明，加压时，疏水板表现为“软”表面（在这个意义上的适应压力依赖的水结构的变化），而亲水性的墙壁表现为“硬”表面。
2006-03-02 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Can xenon in water inhibit ice growth? Molecular dynamics of phase transitions in water$-$Xe system
最近的实验表明，作为低温保护剂的惰性气体的承诺的动机，我们进行分子动力学建模的相变在水中与氙气冷却。我们研究了氙水溶液的结构和动力学随温度的变化。笼形水合物相的均匀成核观察和表征。随着温度的进一步降低，我们观察到由于更强的疏水水化的笼形物的解离的暗示，指向一个可能的不稳定性的笼形物在低温下和转化为一个无定形相组成的“氙+水化壳”$\cdot$（H $_{2}$ O）$_{21.5}$集群。冰$-$氙溶液界面在平衡和冰生长过程中的模拟揭示了氙对冰$-$液体界面的影响，其中吸附的氙导致冰表面粗糙化，但不优先形成包合物。这些结果提供了证据，对氙低温保护的冰阻断机制。
2014-07-11 cond-mat.soft 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-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
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
Water sub-diffusion in membranes for fuel cells
我们调查的动力学的水限制在软离子纳米组件，一个问题的关键是在新材料的多尺度结构-功能相互作用的一般理解。我们特别关注在燃料电池中用作电解质的水合全氟磺酸化合物。这些材料形成相分离的形态，表现出出色的质子传导性能，直接关系到吸收水的状态和动力学。我们结合准弹性中子散射、脉冲场梯度核磁共振和分子动力学计算机模拟，对水的运动和离子输运进行了量化。有效的水和离子的扩散系数已确定连同它们的变化后，在相关的原子，纳米和宏观尺度上的水合作用，提供了一个完整的图片运输。我们表明，在纳米级的限制和直接与带电界面的相互作用产生异常的子扩散，由于在离子纳米通道内的异质空间依赖性动力学。这与疏水限制基质的化学细节无关，证实了我们结论的统计学意义。我们的研究结果表明，有趣的连接和可能性的交叉受精与其他领域，包括生物物理学。他们还建立了富有成效的通信与先进的统计力学的主题，导致新的可能性，分析中子散射数据。
2017-08-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Bridge functional for the molecular density functional theory with consistent pressure and surface tension and its importance for solvation in water
我们从分子密度泛函理论出发，在通常的超网链近似下，在几分钟内预测溶剂化自由能和平衡溶剂密度分布。我们引入了一个桥功能的粗粒度，加权溶剂密度。最多在几分钟内，对于大小从小化合物到大蛋白质的溶质，我们产生（i）在1千卡/摩尔的实验数据的疏水性溶质的溶剂化自由能的估计，以及（ii）溶质周围的溶剂分布。与以前的命题相反，这个桥泛函是热力学一致的，因为它产生正确的液体-蒸汽共存和实验表面张力。我们表明，这种一致性是至关重要的水在室温和压力。此桥功能的设计是简单的，本地的，因此数值效率。最后，我们说明了这一新的水平的分子理论的解决方案与研究的水化壳的蛋白质。
2017-09-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
