The Affinity of the Sulfate- and Ether-Containing Surface-Active Ionic Liquids to Carbon Dioxide, Hydrogen Fluoride, Hydrogen Sulfide, and Water
新型功能化离子液体的开发是现代有机化学和物理化学中的一个重要挑战。最近，我们报道了表面活性离子液体含有两个众所周知的有机阳离子（1-丁基-3-甲基咪唑和四丁基铵）和两个表面活性阴离子（月桂基硫酸盐，月桂基醚硫酸盐）。在目前的工作中，我们调查的亲和力，这些离子化合物选择的小分子表现出实际的影响：水，氟化氢，硫酸氢盐，和二氧化碳。我们发现，硫酸基团，醚基团，和芳香族咪唑环的极性气体分子的物理吸附作出最强的贡献。反过来，四丁基铵阳离子、阴离子的饱和烃链和1-丁基-3-甲基咪唑鎓的烷基链的贡献显著较小。所报道的数据在石油工业中使用表面活性离子液体来捕获和储存不期望的和有毒的气体的背景下是有趣的。
2022-01-01 cond-mat.soft
On the Coupling between Ionic Conduction and Dipolar Relaxation in Deep Eutectic Solvents: Influence of Hydration and Glassy Dynamics
我们已经研究了离子电导率和偶极重取向动力学的原型深共晶溶剂（DES），乙醇，水溶液中，通过使用介电谱在宽范围的频率（MHz-Hz）和温度范围从128至283 K。水在DES中的分数系统地变化，以覆盖不同的制度，从纯DES和其水在DES混合物稀释的电解质溶液。根据这些参数，不同的物理状态，包括低粘度液体，过冷粘性液体，非晶态固体和冷冻浓缩溶液进行了检查。的离子电导率和reorientational松弛都表现出玻璃态动力学的特征，可以量化的偏离Arrhenius温度依赖性和非指数衰减的松弛函数。在DES包水方案（< 40重量%）和DES包水方案（> 40重量%）之间发生转变，在DES包水方案中偶极弛豫和离子电导率保持彼此成反比，在DES包水方案中观察到明显的旋转-平移解耦。这表明，对于低水含量，在本研究所涵盖的时间尺度上（~10-6 s至1 s），乙醇水溶液的旋转和传输特性服从经典的流体动力学标度，尽管这些系统可能是空间微观异质性。一个分数缩放中观察到的DES在水中的制度，由于形成一个最大的冷冻浓缩DES水溶液与冷冻水域在低于环境温度下共存。
2021-03-26 cond-mat.soft
Influence of Creaming and Ripening on the Aggregation Rate of Non-Ionic Dodecane-in-Water Nanoemulsions
探讨了在用Brij 30稳定的十二烷水包纳米乳液的聚集速率的测量过程中乳状液分层的可能影响。为此，合成了用中性浮力油（溴代十二烷）以及十二烷和溴代十二烷与角鲨烯的混合物制成的附加乳液。它的结论是，当成熟的效果被抑制时，浮力对絮凝率的评价的影响可以忽略不计。在不存在角鲨烯的情况下，存在成熟，并且观察到十二烷和溴代十二烷的絮凝速率的相当大的差异。然而，这种差异并不是由重力的影响造成的。
2014-10-09 cond-mat.soft
Impact of water on the charge transport of a glass-forming ionic liquid
利用介电谱和差示扫描量热法，我们已经进行了详细的调查水吸收的影响，在典型的离子液体1-丁基-3-甲基-咪唑氯化物的平移和重取向的玻璃态动力学。从测量的介电常数和电导率谱的仔细分析，我们发现一个显着的加速阳离子重新取向和显着增加的离子电导率较高的水含量。后一种效应主要是由于水含量对玻璃化温度的强烈影响而产生的，对于干燥良好的材料，发现其大于文献中报道的该系统的任何值。的脆弱性，表征的非Arrhenius玻璃态动力学的离子子系统，也随着不同的水含量的变化。从结构动力学的离子运动的解耦被认为是解释的结果。
2016-04-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
The effect of direct electron beam patterning on the water uptake and ionic conductivity of Nafion thin films
本研究通过多种表征手段，发现电子束图案化对Nafion薄膜的水吸收和离子电导率有厚度依赖影响，且电导率降低不超过一个数量级，为相关换能器应用提供了依据。
2023-06-21 cond-mat.soft
Molecular Mean-Field Theory of Ionic Solutions: a Poisson-Nernst-Planck-Bikerman Model
我们已经开发了一种分子平均场论理论--四阶Poisson-Nernst-Planck-Bikerman理论--用于模拟生物离子通道中的离子和水流动，通过处理具有间隙空隙、水的极化以及离子-离子和离子-水相关性的任何体积和形状的离子和水分子。该理论还可用于研究电池、燃料电池、纳米孔、多孔介质（包括水泥、地热盐水、海洋系统）中电解质溶液的热力学和电动力学性质，该理论可以计算来自蛋白质中所有原子以及通道孔中所有离子和水分子的电能和空间能，同时将电解质溶液保持在额外的-以及作为具有模拟实验数据的复杂性质的连续介质的细胞内浴。该理论已被实验和来自蛋白质数据库的短杆菌肽A通道、L型钙通道、钾通道和钠/钙交换器的具有真实结构的分子动力学数据所证实。用电解质水溶液中双电层微分电容和离子活度的实验或Monte Carlo数据也验证了这一结论。我们给出了一个深入的文献回顾的理论，即，费米分布的水和离子作为经典粒子的排除体积和动态相关性，依赖于盐的浓度，成分，温度，压力，远场边界条件等，在一个复杂的和复杂的方式在广泛的实验报告。的动态相关性是自洽的输出函数从一个四阶微分算子，描述离子-离子和离子-水的相关性，离子溶液的介电响应（介电常数），和水分子的极化与一个单一的相关长度参数。
2020-04-20 cond-mat.soft
On the Nature of Freezing/Melting Water in Ionic Polysulfones
通过差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和分子动力学（MD）模拟研究了磺化聚砜在不同离子含量下的水合行为。实验证据表明，在相当的离子含量下，沿着聚合物主链的离子基团之间的间距可以显著影响聚合物中存在的熔融水的量。当我们只考虑能与四个相邻水分子形成氢键的水分子作为熔融水时，分子动力学模拟结果与实验数据吻合较好。因此，通过DSC测量的水的状态可以被描述为“聚集”（或块状）的熔融组分，和“孤立”的非熔融部分。使用该物理图像，具有更多聚集离子的聚合物具有更高的熔融水含量，而具有相同离子含量但具有更多分散离子的聚合物具有更低的熔融水含量。因此，离子应该被很好地分散以使离子聚合物膜中的本体状水的量最小化。
2021-07-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Theoretical Prediction and experimental measurement of the mixed flocculation/coalescence rate of ionic Hexadecane-in-water nano-emulsions
理论计算的混合聚集/聚结（kFC）率对应于一组的十六烷在水中的纳米乳液稳定与十二烷基硫酸钠（SDS）在不同的NaCl浓度。通过乳液稳定性模拟（ESS）预测的分散体的聚集体总数随时间的变化获得速率。为了模拟盐浓度对表面活性剂的表面过量的依赖性，实施了两种不同的模型。还进行了kFC的实验测量，基于作为时间的函数的乳液的浊度的变化。只有当表面活性剂吸附模型考虑到表面活性剂溶液的盐析和由连续相的离子强度的增加引起的液滴表面电荷的部分屏蔽之间的平衡时，理论和实验之间才能达到令人满意的一致。观察到的行为不能根据Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论来证明。相反，任何大小的聚集体的可逆絮凝提出作为一种替代机制来解释的依赖性kFC作为盐浓度的函数。
2015-07-07 cond-mat.soft
Intentionally added ionic surfactants induce Jones-Ray effect at air-water interface
琼斯-射线效应是在毫摩尔盐浓度下含水电解质的表面张力中的异常最小值。我们的实验表明，有意添加离子表面活性剂诱导琼斯射线效应。一维Poisson-Boltzmann理论，包括表面活性剂吸附和盐耗尽的影响，很好地符合所获得的实验数据。理论中所用的离子比表面亲合能的所有参数都与以前的实验相一致。这些结果有力地表明，到目前为止观察到的琼斯射线效应已引起的空气-水界面的不可避免的污染。
2018-10-19 cond-mat.soft physics.chem-ph
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
Ionic Screening and Dissociation are Crucial for Understanding Chemical Self-Propulsion in Water
水是极性溶剂，因此支持其自身及其溶质大量解离成离子，以及这些离子在动态平衡中重新缔合成中性分子，例如，${\rm H_2O_2}\leftrightharpoons {\rm H^+~+~HO_2^-}$。利用连续介质理论，我们研究了这些反应对水溶液中由表面化学反应（化学游泳者）驱动的胶体自推进的影响。在这里显示的关联-解离反应对游泳者的行为有很大的影响，因此必须包括在未来的建模。特别是，即使所有参与表面反应的物种都是中性的，这种整体反应也允许带电的游泳者以螺旋推进。整体反应也显着修改由离子电流推动的化学游泳者的预测速度，高达一个数量级。对于表面反应产生阴离子和阳离子（离子自扩散电泳）的游泳者，本体反应产生额外的反应屏蔽长度，类似于静电学中的德拜长度。这反过来又导致了游泳者半径和游泳速度之间的反比关系，这可以为最近对Pt-聚苯乙烯Janus游泳者的实验观察提供另一种解释[S. Ebbens等人，E85，020401（2012）]。我们还使用我们的连续介质理论来研究德拜屏蔽长度本身的影响，超越了以前的分析理论所使用的无限薄极限近似。我们确定了显着偏离这种限制行为的微米尺寸的游泳者在典型的实验条件下，并发现，限制行为完全失败的纳米游泳者。
2016-08-16 cond-mat.soft
Water confined in self-assembled ionic surfactants nano-structures
我们提出了一个粗粒化模型的离子表面活性剂在明确的水溶液中，并研究通过计算机模拟的影响，水含量对系统的形态，以及随之而来的影响所形成的界面上的结构特征的吸附流体。在环境条件下增加水化水平，该模型表现出一系列的三个不同的阶段：层状，圆柱形和胶束。我们表征的衍射图案和中子散射静态结构因子方面的不同结构。我们证明了自组装水畴的纳米尺寸的变化率在不同的阶段显示出奇特的变化。我们还深入分析了水/限制矩阵接口的结构，其可调程度的曲率的影响，以及水分子在不同的限制环境中的性质。最后，我们讨论了我们的结果相比，实验数据和它们对广泛的重要的科学和技术领域的影响，在软材料的界面处的水的行为是至关重要的。
2014-12-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
DFT study of ionic liquids adsorption on circumcoronene shaped graphene
本研究利用密度泛函理论方法，探讨了高浓度离子液体在环绕冠烯模型碳表面的吸附作用，发现色散相互作用显著增强了碳-离子相互作用，并重点关注了在超级电容器和太阳能电池中具应用前景的卤化物阴离子的吸附。
2017-11-26 cond-mat.soft physics.chem-ph
Does twist angle affect the properties of water confined inside twisted bilayer graphene?
石墨烯纳米狭缝孔用于纳米流体设备，如水脱盐，离子选择性通道，离子晶体管，传感，分子筛，蓝色能量收集和蛋白质测序。制备纳米流体装置是一项艰巨的任务，因为小的未对准导致装置的各种性质的显著改变。在这里，我们专注于两个平行的石墨烯片之间的旋转错位。使用分子动力学模拟，我们探测的结构和动力学单层水限制在石墨烯纳米通道内的一系列相称的扭曲角。采用SPC/E和TIP 4P/2005水模型，模拟结果表明，SPC/E的平衡数密度$(n \sim 13 nm^{-2})$和TIP 4P/2005的平衡数密度$(n \sim 11.5 nm^{-2})$在扭转方向上是独立的。根据水模型的密度，结构和介电常数不随扭转角的变化而变化。此处的承压水结构仅显示SPC/E水的方形冰序。TIP 4 P/2005显示了临界密度$(n \sim 12.5 nm^{-2})$附近的有序性。对于所研究的扭转角，承压水的平均垂直介电常数仍然非常低（SPC/E为$\sim 2$，TIP 4 P/2005为$\sim 6$）。我们发现，受限水分子的摩擦系数变化的小扭曲角，而成为独立的扭曲大于$5.1^{o}$。我们的研究结果表明，小的角度错位不会损害单层水的介电性能的石墨烯狭缝孔，但可以显着影响其动力学。
2022-12-23 cond-mat.soft
Porous membranes built up from hydrophilic poly(ionic liquid)s
首次以水溶性聚离子液体（PIL）为原料，通过中和引发静电络合反应制备了多孔聚合物膜。多孔结构的形成是由于PIL和离子络合的同时相分离，这发生在PIL的非溶剂的碱性溶液中。这些膜具有刺激响应性孔隙率，分别在异丙醇和水中具有开孔和闭孔。这种性质在过滤实验中得到了定量证明，其中水通过膜的速度比异丙醇慢得多。
2016-09-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Synchrotron-based UV resonance Raman scattering for investigating ionic liquid-water solutions
本工作表明，本体离子液体（ILs）和它们的水溶液可以方便地研究基于同步辐射紫外共振拉曼光谱（UVRR）。该技术的主要优点的调查的局部结构和分子间相互作用的咪唑基离子液体的介绍和讨论。同步辐射光源独特的可调谐性使人们能够选择性地增强拉曼光谱中由咪唑环产生的振动信号。这种信号显示出对通过i）阴离子的变化和ii）咪唑鎓环上逐渐变长的烷基链取代在IL的局部结构中诱导的修饰的良好灵敏度。此外，一些UVRR信号是具体的信息，在IL-水溶液中的阳离子-阴离子H-键的强度上的水的添加诱导的效果。所有这些结果证实了UVRR的潜力，以检索信息的IL-水溶液中的分子间相互作用，除了通过采用这些系统的自发拉曼散射技术得到的对应物。
2019-12-04 cond-mat.soft physics.chem-ph
2D nanoporous membrane for cation removal from water: effects of ionic valence, membrane hydrophobicity and pore size
使用分子动力学模拟，我们表明，单层二硫化钼（MoS $_2$）和石墨烯可以有效地拒绝离子，并允许高的水渗透性。水和三种不同价态的阳离子（Na $^+$，Zn $^{2+}$和Fe $^{3+}$）的溶液中进行了研究，在两种类型的膜的存在下，结果表明，阳离子电荷的离子截留率的高度依赖性。氯化铁的缔合特性导致两种纳米孔的高离子排斥率，而一价氯化钠诱导较低的排斥率。特别地，MoS $_2$对于所有孔径和施加的压力显示出100%的Fe $^{3+}$排斥。另一方面，水的渗透不随阳离子的价态而变化，仅与纳米孔的几何和化学特性有关。这项研究有助于了解通过纳米多孔膜的流体传输，对于开发从水中去除污染物的新技术至关重要。
2018-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Dynamics of water and ethanol in graphene oxide
我们利用准弹性中子散射（QENS）的动量传递（Q）依赖性来揭示在不同温度和不同取向下限制在氧化石墨烯（GO）粉末或膜中的水和乙醇的动力学。使用几个光谱仪在不同的长度和时间尺度上测量动力学。我们发现降低的扩散率（高达30%的情况下的水）和抑郁症的转变温度。当水在280-310 K的温度范围内表现出接近Arrhenius的行为时，乙醇的扩散率几乎没有温度依赖性。对于水和乙醇，我们发现的证据，固定和移动部分的封闭液体。流动部分表现出跳跃扩散，跳跃长度与GO表面中的氢氧根基团的预期平均间距一致。从各向异性测量，我们发现弱各向异性扩散，与令人惊讶的结果，扩散是更快的垂直于膜比平行于它。
2021-12-16 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
Wetting of Water on Graphene
石墨烯的润湿性质已被证明是有争议的，并且难以评估。基底顶部上石墨烯层的存在不会显著改变固体基底的润湿性质，表明单个石墨烯层不会影响润湿相和基底之间的粘附。然而，水在石墨烯上的润湿实验显示出暗示大量粘附的接触角。在这里，我们通过测量在不同相对湿度下吸附到不同厚度的石墨烯薄片的水蒸气的质量来研究石墨烯的润湿。我们的实验明确地表明，最薄的石墨烯薄片不吸附水，由此得出水在这些薄片上的接触角为~ 180 o。另一方面，较厚的石墨烯纳米粉末薄片确实吸附水。在该系统中主导吸附的范德华（vdW）相互作用的计算证实，石墨烯和水的单个原子层之间的粘附相互作用非常弱，以至于石墨烯是超疏水的。这些观察结果在一项关于石墨烯涂层水滴的独立实验中得到了证实，该实验表明，用分子薄的石墨烯制造液体“大理石”是不可能的。
2017-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Estimating Entropy of Liquids from Atom-Atom Radial Distribution Functions: Silica, Beryllium Fluoride and Water
采用分子动力学模拟研究了水、液体氟化铍和硅熔体的原子-原子径向分布函数数据对离子液体和分子液体熵估计的准确性。所有这三个系统都显示出类似的液态热力学和动力学异常，这是由于在等温压缩时熵上升的异常过剩熵行为区域。对相关熵被证明是足够准确的密度-温度制度的异常行为，以及熵异常的强度可以可靠地预测两个离子熔体以及不同的刚体对水的潜力。由于对相关近似的离子熔体的总热力学熵的误差是10%或更少的顺序为大多数状态点，但可以显着更大的异常制度在非常低的温度。在水的情况下，正如预期的分子液体的刚体约束，对相关近似导致显着较大的误差，在20和30%之间，对于大多数状态点。的过剩熵，硒，离子熔体的对相关熵，S2的比较表明，硒的温度依赖性很好地描述了T？？2=5标度跨越正常和异常制度，不像在S2的情况下。作为密度的函数，Se（rho）曲线仅示出单个最大值，而S2（rho）曲线示出最大值和最小值。S2和Se的行为的这些差异是由于剩余多粒子熵δ（S）= Se-S2在反常区域中显示出与四面体有序的强负相关性。
2008-09-24 cond-mat.soft
Surface Tension of Electrolyte Interfaces: Ionic Specificity within a Field-Theory Approach
本文研究了离子溶液在空气/水和油/水界面上的表面张力。通过使用场论方法和包括一个有限的近端表面区域与离子的具体相互作用。自由能扩展到一阶环展开超出平均场的结果。我们计算了过量的表面张力，并获得分析预测，团聚Onsager-Samaras开拓性的结果（这与实验数据不一致），与离子特异性的霍夫迈斯特系列。我们推导出解析的表面张力依赖于离子强度，离子大小和离子表面相互作用，并因此表明，Onsager-Samaras的结果是一致的，超过平均场的结果与单回路校正。我们的理论很好地适应了广泛的盐浓度为不同的单价离子，每个电解质使用一个适合的参数，并再现了反霍夫迈斯特系列的阴离子在空气/水和油/水界面。
2015-01-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The effect of water/carbon interaction strength on interfacial thermal resistance and the surrounding molecular nanolayer of CNT and graphene nanoparticles
在纳米流体中，液/固界面处的热传递，特别是在纳米尺度下的热传递具有巨大的重要性。本研究探讨液体/固体界面热阻和结构的形成分子纳米层周围的碳基纳米粒子。采用非平衡分子动力学模拟和热松弛方法，研究了不同粒径和不同表面润湿性的纳米流体体系。模拟结果表明，直径较小的碳纳米管（CNTs）吸引更多的价值的基础流体，导致降低Kapitza阻力。结果发现，纳米颗粒周围的纳米层的厚度是独立的水/碳相互作用强度。此外，Kapitza电阻的值随着相互作用强度的增加而减小。最后，提出了CNT/水和石墨烯/水纳米流体的热阻的纳米颗粒表面的润湿性强度的相关性。所提出的相关性除了拟合模拟结果之外，还可以覆盖系统的物理条件。
2019-01-10 cond-mat.soft
Ion Clusters and Networks in "Water-in-Salt Electrolytes"
盐包水电解质（WiSE）是一类超浓缩电解质，在锂离子电池中取代有机电解质方面表现出很大的希望。在极高的盐浓度的WiSE，离子缔合比简单的离子对描述更复杂。事实上，WiSE中可以存在大的分支簇，并且超过临界盐浓度，可以自发形成无限的离子网络。在这项工作中，我们简化了我们最近开发的可逆离子聚集和凝胶化的热力学模型，专门为WiSE定制。我们的简化理论只有少数几个参数，所有这些参数都可以很容易地从模拟中确定。我们的模型是能够定量再现人口的不同大小的离子簇的盐浓度的函数，离子凝胶化的临界盐浓度，和离子的分数纳入离子凝胶，从分子模拟三个不同的锂基WiSE观察。离子缔合和凝胶化的程度极大地影响溶液的有效离子强度、已知支配固体-电解质界面的化学性质的活性阳离子的配位环境以及电解质中所有物质的热力学活性。
2021-03-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
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
IEC-Independent Coupling Between Water Uptake and Ionic Conductivity in Anion-Conducting Polymer Films
本文结合实验与最小模型模拟，研究聚降冰片烯基阴离子交换膜中吸水与离子电导率的关系，揭示其相关性受电荷密度和温度影响，而非仅由IEC决定。
2025-04-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Water under the Cover: Structures and Thermodynamics of Water Encapsulated by Graphene
了解纳米承压水的相行为，最近引起了显着的研究兴趣。在这项工作中，我们研究的结构和热力学的石墨烯覆盖下封装的水。我们发现层状水结构高达~1000个分子，这是稳定的空间限制和压力引起的石墨烯覆盖和衬底之间的粘附。对于单层结晶，我们确定晶格和缺陷。自由能分析表明，这些低熵有序被高形成能所补偿.在~480-490 K温度范围内，该凝聚相存在有序-无序转变，氢键数目急剧减少，熵增大。这些发现提供了对封装水的基本理解，并为实际应用提供了指导，例如在纳米电子器件的设计中。
2016-07-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Fast water flow through graphene nanocapillaries: a continuum model approach involving the microscopic structure of confined water
纳米毛细管内的水变得有序，导致非常规行为。已经观察到石墨烯制成的纳米薄毛细管内的水流动的显著增强[B. Radha等人，Nature（London）538，222（2016）]。在这里，我们解释这种增强是由于石墨烯纳米胶囊内的水的大密度和非凡的粘度。利用Hagen-Poiffille理论和滑移边界条件，结合分离压力项和分子动力学（MD）模拟结果，我们提出了一个解析理论，阐明了疏水纳米胶囊内部水流动增强的起源。我们的工作揭示了一个独特的依赖性的水流在纳米毛细管的结构性质的nanoinsulated水与实验一致，这开辟了一条新的途径，在nanofluidics。
2018-09-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
A Multidomain Model for Ionic Electrodiffusion and Osmosis with an Application to Cortical Spreading Depression
离子电扩散和渗透水流是许多生理系统的中心过程。我们制定了一个系统的偏微分方程，支配离子运动和水流在生物组织。该模型的一个显著特点是它满足自由能恒等式，保证了模型的热力学一致性。一个数值方案是在一个空间维度的模型，并适用于模型的皮质扩散性抑郁症，在大脑中的离子和细胞体积的动态平衡的传播故障。
2014-10-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Hydration, Ion Distribution, and Ionic Network Formation in Sulfonated Poly(arylene ether sulfones)
我们使用分子动力学模拟探测水化，离子间距，和阳离子-阴离子相互作用在两个磺化聚砜具有不同的离子分布沿聚合物主链。在室温下，这些聚合物保持在玻璃态，即使水含量超过10%。在平衡吸水时，离子表现出与它们在饱和水溶液中相似的水合水平。本文用Manning平衡缩合极限定律的框架来研究模拟聚砜中的离子相互作用。离子经历的介电常数可以很好地近似于聚合物主链和水的介电常数的体积加权平均值。我们的结果表明，一个合理的估计平均离子间距离，b，得到使用的距离，磺酸根-磺酸根的配位数达到1。磺酸根离子沿聚砜主链的间距在确定它们在水合聚合物内的空间分布中起作用。因此，对于磺酸根离子沿着主链更均匀地间隔的聚合物，b的值略大，这与实验证据一致。模拟结果表明，磺酸根离子和钠抗衡离子形成纤维状聚集体在低于平衡吸水量的水含量。预期这种广泛的离子聚集体促进磺化聚砜膜中的离子传输，而不需要如在传统橡胶状离子聚合物的情况下的长程链运动。我们的估计的介电常数和b结合曼宁的理论来估计凝聚到固定离子的抗衡离子的分数。曼宁理论的预测与模拟结果吻合较好。
2021-01-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Thermal-driven Flow inside Graphene Channels for Water Desalination
提出了一种新的热驱动膜法淡化水的概念。通过分子动力学模拟，我们显示了在温度梯度下水通过石墨烯通道的快速传输。通过热蠕变流动的作用，水分子被驱动通过纳米宽的石墨烯通道从冷储层迁移到热储层。将层间距减小到6.5埃，在埃距离石墨烯片之间的水渗透中发生突然升级。在这种极端受限的条件下，发现了从无序的块状水到准正方形结构的变化。这导致向亚连续统运输的过渡。水分子在石墨烯通道内进行集体扩散行为。这种特殊的输运过程伴随着结构的变化，将热能转化为运动而不耗散，导致了意想不到的高透水性。热驱动系统在温度变化为80 K时达到最大流量，对应于商业反渗透工艺中高达10^5 bar的压差和压力驱动滑流中230 bar的压差。我们的研究结果还揭示了盐离子的运动受到热泳效应的影响，这补充了更大的层间距的几何限制，增强了离子的阻塞。这一发现旨在为开发能够利用各种形式能源的高效海水淡化技术提供创新思路。
2018-10-24 cond-mat.soft physics.app-ph
Interlayer Water Regulates the Bio-nano Interface of a \b{eta}-sheet Protein stacking on Graphene
利用分子动力学模拟，我们研究了一个集成的生物纳米界面组成的\b{eta}-折叠蛋白质堆叠在石墨烯上。我们发现模型蛋白质在石墨烯上的堆积组装可以通过水分子来控制。填充在生物纳米界面间隙中的层间水可抑制蛋白质表面基团的分子振动，从而削弱蛋白质的CH_（12）。π相互作用驱动蛋白质和石墨烯的吸引力。由于水和蛋白质表面的相互作用，蛋白质在石墨烯上的相对运动会使层间水的分子间耦合松弛。这种作用降低了层间水对蛋白质在石墨烯上组装的阻碍作用，使蛋白质在石墨烯上处于合适的吸附状态，形成了较深的自由能陷阱。由此可见，蛋白质与石墨烯之间的相互作用、蛋白质与水的耦合以及石墨烯与水的相互作用都参与了水分子在生物-纳米界面内行为的调控，从而控制了层间水对蛋白质在疏水石墨烯上组装的阻碍作用。这些结果提供了一个深入了解蛋白质吸附到石墨烯表面在水中的基本机制。
2014-12-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Extended friction elucidates the breakdown of fast water transport in graphene oxide membranes
水在氧化石墨烯（GO）膜中传输的理解是石墨烯研究中的一个主要理论问题。尽管近年来对该主题进行了大量的努力，但GO膜中水传输的综合情况尚未出现。通过对H2O GO膜中的水传输进行中尺度模拟，我们表明，即使是少量的氧官能团也会导致GO渗透性的急剧下降，这与实验结果一致。体粘滞耗散和空间延伸的分子摩擦的共存导致滑移和体流两者的大幅减少，从而抑制在原始石墨烯纳米通道中观察到的快速水传输状态。流动结构的检查揭示了一个倒置的曲率在近壁区，它连接顺利与一个抛物线型在散装区域。这种反向曲率是单粒子朗之万摩擦和集体流体动力学共存的独特标志。目前的介观模型与空间扩展的摩擦可能提供一个计算效率高的工具，为未来的模拟水在纳米材料中的传输。
2016-08-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Molecular mechanism of water permeation in helium impermeable graphene and graphene oxide membrane
发现氧化石墨烯（GO）层对于水的渗透是良好的，但对于氦不是（Science 2012 335（6067）：442-444），表明GO层在取决于它们所处的环境（即，水或氦）的渗透路线的形成中是动态的。为了探索这一观察的微观起源，我们计算了GO片（氧化和还原部分）的平均力（PMF）的潜力，与面间距离作为反应坐标在氦气和水中。我们的PMF计算表明，在氦气中的GO片的氧化部分之间的平衡层间距离为4.8 μ m，没有留下氦气渗透的空间。相比之下，GO氧化部分在水中的PMF显示出两个最小值，一个在4.8 μ m处，另一个在6.8 μ m处，对应于无水和水填充区域，从而产生渗透路径。基于对不同片间距的石墨烯片和氧化石墨烯片之间捕获的水的熵计算，我们还展示了填充热力学。
2015-09-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Novel force field of [Bmim][Nf$_2$T] and its tranferability in a mixture with water
本文为离子液体[Bmim][Nf$_2$T]提出新力场IL/ε，以小于3%的误差重现介电常数、密度和蒸发焓，并验证了其在[Bmim][Nf$_2$T]-H$_2$O混合物中的可转移性。
2023-05-24 cond-mat.soft physics.chem-ph
Thermodynamic effects of solid electrolyte interphase formation from solvation and ionic association in water-in-salt electrolytes
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of Oxford（牛津大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
研究水-盐电解质中固态电解质界面形成对电化学稳定窗口的热力学影响，通过热力学理论分析溶剂化和离子结合对电极-电解质界面反应的影响。
2026-04-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Surfactant-Free Single Layer Graphene in Water
在过去的十年里，将石墨分散在水中以在液体中大量获得真正的（单层）石墨烯（SLG）一直是材料科学家无法实现的目标。同样，用于原位鉴定溶解的SLG的诊断工具也期待已久。通过将石墨烯化物（带负电荷的石墨烯）在四氢呋喃（THF）中的溶液与脱气水混合并蒸发有机溶剂来获得SLG在水中的均匀稳定分散体。这些水性分散体的原位拉曼光谱显示了单层石墨烯的所有预期特性，包括洛伦兹形状的强2D带和28 cm-1的线宽。沉积物的透射电子显微镜和原子力显微镜证实了SLG的特征。所得的不含添加剂的稳定水分散体含有0.16 mg/mL的SLG。
2016-03-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Insights on the mechanism of water-alcohol separation in multilayer graphene oxide membranes: entropic versus enthalpic factors
实验证据表明，氧化石墨烯（GO）可以是不可渗透的液体，蒸汽和气体，而它允许水分子的快速渗透。对过滤机制的理解主要来自于对水脱盐的研究，而很少有人致力于蒸馏酒精。在这项工作中，我们已经调查了分子水平的机制，乙醇/水分离内GO膜。通过一系列分子动力学和巨正则蒙特卡罗模拟研究了乙醇/水和甲醇/水通过由具有不同层间距值和含氧官能团数目的多层石墨烯基片组成的GO膜的分离。我们的结果表明，尺寸排阻和膜亲和性不足以解释的选择性。除此之外，GO 2D通道内形成稳固氢键网络的有利水分子排列和快速水扩散对于有效分离机制至关重要。换句话说，分离现象不仅受与膜的亲和力（亲合力机制）支配，而且主要受几何和尺寸因素（熵机制）支配。我们验证了具有最佳层间距的二维几何通道是设计更有效的醇-水分离膜的关键因素。我们的研究结果与现有的实验数据是一致的，并有助于澄清在GO膜中的受限醇/水的分离行为的重要方面。
2017-06-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Nanobubbles, pristine emulsions, high ionic strength electrokinetics -- paradoxes of Colloid and Interface Science
Dispersion Technology Inc（分散技术公司）；Penn State University（宾夕法尼亚州立大学）
该综述指出胶体与界面科学存在高离子强度电动学、纳米气泡和原始乳液寿命过长三大悖论，结合多国实验证据，提出结构化水层假说，综述相关理论模型以解释这些现象。
2026-07-31 cond-mat.soft physics.chem-ph
Water-methanol mixture confined in a graphene slit-pore
本研究通过分子动力学模拟探索了石墨烯狭缝孔对水-甲醇混合物动力学和结构的影响，发现水倾向于占据孔中心而甲醇聚集于疏水壁，且12.5Å孔径在机械稳定且高效，为水-甲醇分离提供了最优配置。
2023-06-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Molecular insight on ultra-confined ionic transport in wetting films: the key role of friction
Université libre de Bruxelles（布鲁塞尔自由大学）；Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, Institut Lumière Matière（里昂第一大学，法国国家科学研究中心，光与物质研究所）
研究通过分子动力学模拟揭示水膜中离子传输机制，发现离子吸附在水-硅界面产生摩擦力，显著增加流体粘度，为纳米尺度流体动力学提供新见解。
2026-03-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dipolar Poisson-Boltzmann Approach to Ionic Solutions: A Mean Field and Loop Expansion Analysis
我们研究了离子水溶液介电响应随离子强度的变化。盐对介电常数的影响是通过离子与偶极水分子之间的耦合来实现的。在平均场水平上，我们考虑了粒子的任何内部电荷分布。偶极自由度被添加到离子自由度，并导致泊松-玻尔兹曼（PB）方程的推广，称为偶极PB（DPB）。通过研究定点离子周围的DPB方程，得到了介电常数的封闭式公式。我们使用表征离子周围偶极子的水合壳的“水合长度”来表达介电常数，从而表达介电衰减的强度。DPB方程，然后检查三个额外的情况下：溶剂的混合物，极化介质和离子的有限大小。采用场论方法，我们扩大吉布斯自由能的一阶环展开和计算自洽的介电常数。对于纯水，偶极波动代表了一个重要的修正的平均场值和良好的协议与水的介电常数。对于离子溶液，我们预测分析依赖于离子强度在一个非线性的方式介电衰减。我们的预测很好地适合了大范围的浓度不同的盐，只使用一个适合的参数有关的离子和偶极子的大小。在低盐度下，介电常数与盐浓度呈线性关系，当离子强度大于1 μ M时，介电常数与盐浓度的线性关系有明显的偏离，这与实验结果一致。
2013-08-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Ion and water transport in charge-modified graphene nanopores
多孔石墨烯具有较高的机械强度和原子层厚度，这使其成为材料分离和生物分子传感的一种有前途的材料。水溶液中电荷间的静电相互作用是一种强的长程相互作用，对纳米孔中流体的输运有很大的影响。在这里，进行分子动力学模拟，以研究离子和水通过直径为1.05 nm的单层石墨烯纳米孔与其边缘电荷改性的传输。从结果中发现，当纳米孔带电时，纳米孔对抗衡离子具有选择性。随着电荷量的增加，总离子电流呈现出一个增大-减小的曲线，而共离子电流则单调减小。当纳米孔带负电和正电时，共离子截留率分别达到75%和90%。Cl ~+和Na ~+作为抗衡离子时，Cl ~+电流随体系中电荷量的增加而增加并达到一个平台，Na ~+电流随体系中电荷量的增加而减小。此外，电荷修饰可以明显增强水通过纳米孔的传输。这主要是由于纳米孔的离子选择性。特别是，孔隙边缘的正电荷比负电荷更有利于水的传输。
2016-07-30 cond-mat.soft physics.chem-ph
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
A Model of Electrodiffusion and Osmotic Water Flow and its Energetic Structure
我们介绍了一个模型的离子电扩散和渗透水流经细胞和组织。该模型由一个系统的偏微分方程的离子浓度和流体流动与变形膜边界处的界面条件。该模型满足自然的能量等式，其中熵，弹性和静电自由能的总和通过粘性，电扩散和渗透流耗散。当某些无量纲参数很小时，我们讨论极限模型。最后，我们开发了一个数值方案的一维情况下，我们的模型细胞体积控制的一些简单的应用程序。
2011-01-27 cond-mat.soft math.AP physics.bio-ph
Labyrinthine water flow across multilayer graphene-based membranes: molecular dynamics versus continuum predictions
在本文中，我们调查的水通过石墨烯为基础的膜的流体动力学渗透，最近的实验结果石墨烯氧化物膜的启发。我们考虑穿过具有交错排列的纳米缝的多个石墨烯层的流动，其中层间距离范围从亚纳米到几纳米。我们比较结果的渗透率通过分子动力学模拟的连续预测通过使用格子玻尔兹曼计算和流体动力学建模。这突出表明，尽管极端的限制，在石墨烯基膜的渗透性定量预测的基础上的连续表达，适当地考虑到入口和滑移的限制水流的影响。我们的预测反驳了这些膜系统在小尺度上的流体力学故障。它们构成了一个基准，我们比较发表的实验数据。
2016-06-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Electrocrystallization of Supercooled Water Confined by Graphene Walls
由于水分子具有偶极矩，因此水的任何结构转变对外部电场敏感。研究了外加均匀电场对石墨烯平面间过冷水结晶的影响。这种系统的结晶是由亚稳相到有序（结晶）相的普通弛豫和由所施加的电场诱导的偶极对准引起的。我们发现，该系统在温度$T=268$ K，其中水的密度为$0.94$ g/cm $^3$和所施加的电场的大小为$E=0.5~\textrm{V}$ /埃，结晶成立方冰，几乎没有缺陷，并且结晶在时间尺度$\sim 5.0$ ns上进行。所得结果可直接用于开发水结晶驱油方法。
2019-09-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Hydrophobic and Ionic Interactions in Nano-sized Water Droplets
本文研究了球形水滴中甲烷和带电荷修饰甲烷的溶剂化反应。自由能分布为一个单一的甲烷分子在液滴中，直径D，从1到4纳米的范围内，表明液滴表面是非常有利的内部相比。从D=3 nm的自由能的温度依赖性，我们表明，这种效果是熵驱动。两个甲烷分子之间的平均力（PMFs）的潜力表明，溶剂分离的最低限度在大部分是完全不存在的承压水，独立的液滴大小，因为溶质颗粒主要与液滴表面。带电荷（Mq+和Mq-，q+ = q- = 0.4e，其中e是电子电荷）的甲烷被钉扎在表面的趋势显著地取决于水滴的大小。当D=4 nm时，离子更喜欢内部，而对于D<4 nm，离子位于表面，但倾向于比甲烷小得多。离子电荷增加到e时，表面会变得非常不利。反映了水分子的电荷不对称性，与相同电荷量的正离子相比，负离子对表面具有更强的偏好。随着液滴尺寸的增加，Mq+和Mq-之间的PMF显示由于表面溶剂化的趋势降低的边界的影响减小。我们还表明，作为溶质电荷密度降低的表面变得不那么不利。我们的研究结果在有限空间中的蛋白质折叠的影响进行了概述。
2006-09-12 cond-mat.other cond-mat.soft physics.bio-ph
Surface Tension of Electrolyte Solutions: A Self-consistent Theory
研究了电解质溶液在空气/水和油/水界面的表面张力。采用场论方法，考虑阴离子与表面的短程相互作用，将Helmholtz自由能展开到一阶环展开，计算了表面的超额表面张力。我们的方法是自洽的，并产生一个分析预测，重新统一的Onsager-Samaras开创性的结果（这与实验数据不一致），与离子特异性的霍夫迈斯特系列。我们得到解析的表面张力依赖于离子强度，离子尺寸和离子表面相互作用，并因此表明，Onsager-Samaras的结果是一致的，超过平均场的结果与单回路校正。我们的理论使用一个拟合参数很好地拟合了不同盐的各种浓度，再现了空气/水和油/水界面阴离子的逆霍夫迈斯特级数。10.1029
2014-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Electrocrystallization of Supercooled Water Confined between Graphene Layers
过冷水在外加静态电场中结晶的一个关键特征是，这里的结构顺序不仅由通常的热力学和运动学因素决定（过冷度、液体和晶体的化学势之间的差以及粘度），而且还取决于所施加的电场的强度和方向、系统的大小（尺寸效应）和边界曲面的几何形状。在这项工作中，在$T=268$ ~K的温度下，被限制在理想平坦的平行石墨烯片之间的过冷水的电结晶已经被考虑在这项工作中。它已被建立，结构顺序是由两个特征模式。初始模式与偶极水分子在外加电场作用下的取向有关。随后的模式的特征在于亚稳系统弛豫到结晶相。垂直于石墨烯片施加的均匀电场抑制了结构有序化，而横向施加的电场促进了立方冰$I_c$的形成。
2020-01-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Like-charge attraction at the nanoscale: ground-state correlations and water destructuring
由离子相关性驱动的类电荷吸引挑战了我们对软物质和硬物质静电学的理解。对于两个带电平面限制反离子和水，我们证明，即使在相对较低的相关强度，相关的物理是基态之一，无视的波动。在此基础上，我们得到了一个简单而准确的相互作用压力，满足已知的确切要求，可以用作有效势。我们测试这个方程对隐式溶剂蒙特卡罗模拟和对水泥和几种类型的粘土的显式溶剂模拟。我们认为，纳米限制下的水解构大大减少介电屏蔽，增强离子相关性。因此，我们的状态方程在减少介电常数解释了异国情调的吸引力制度报告这些材料，即使在没有多价抗衡离子。
2022-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
