分子動(dòng)力學(xué)模擬二肽自組裝和驅(qū)油過程.pdf

1、聚集、剝離物理過程在自然界中十分常見。通過研究這些物理過程可以對(duì)生活和生產(chǎn)產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義。二肽分子自組裝形成的超分子水凝膠在控制藥物釋放和三維細(xì)胞培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用價(jià)值;表面活性劑分子可以改變巖層表面的潤濕性，使原油從巖層表面剝離，增加了石油的采收率。
　　本文通過動(dòng)力學(xué)模擬Fmoc保護(hù)的二肽分子的聚集和二氧化硅孔道驅(qū)油的過程，旨在從分子尺度加深對(duì)這些物理現(xiàn)象的理解，從而更好地服務(wù)生活和生產(chǎn)。本論文的主要研究?jī)?nèi)

2、容如下:
　　1.采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了Fmoc-FF小分子自組裝形成凝膠的過程。根據(jù)模擬結(jié)果，二肽分子最初分散在水溶液中，然后在很短的模擬時(shí)間內(nèi)自組裝快速發(fā)生，最終達(dá)到平衡，形成結(jié)構(gòu)規(guī)整的圓柱形納米結(jié)構(gòu)。該研究首先對(duì)聚集體的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，得出疏水基團(tuán)并不是完全包裹在聚集體的內(nèi)核，而是部分暴露在水溶液中的結(jié)論，這與實(shí)驗(yàn)上的結(jié)果一致。其次，對(duì)自組裝過程的主要驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了研究。通過分析Fmoc環(huán)間的徑向分布函數(shù)，得出了π

3、-π堆積的作用距離峰，并且從聚集體的結(jié)構(gòu)中找到了典型的π-π堆積結(jié)構(gòu)如T型和交叉型。為了進(jìn)一步確認(rèn)π-π堆積在自組裝中的作用，又分析了二肽分子與周圍水分子間的相互作用能量，以及二肽分子各部分間的相互作用能量。模擬得出，二肽分子傾向于自組裝聚集在一起而不是分散在水溶液中，并且Fmoc環(huán)間π-π堆積是自組裝過程的主要驅(qū)動(dòng)力。最后，研究了聚集體的水橋結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算二肽分子中各原子周圍水分子的擴(kuò)散系數(shù)和弛豫時(shí)間以及二肽分子中各原子與水分子間形成

4、氫鍵的數(shù)目和弛豫時(shí)間，得知水橋結(jié)構(gòu)可以存在于兩個(gè)二肽分子間，并且起到穩(wěn)定自組裝形成的聚集體的作用。
　　2.采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了Fmoc-AA二肽分子在不同溶液環(huán)境下的自組裝行為。在模擬中，主要關(guān)注了自組裝三個(gè)方面的內(nèi)容，包括二肽分子的聚集過程，氫鍵以及第一水化層內(nèi)水分子動(dòng)力學(xué)。通過研究二肽分子間的均力勢(shì)，得出離子型二肽分子間的相互作用力要強(qiáng)于分子型二肽分子，從而導(dǎo)致形成不規(guī)整的聚集體的結(jié)論。離子型二肽分子極性頭基與周圍

5、水分子形成的氫鍵的數(shù)目比分子型二肽分子要多，并且氫鍵的弛豫時(shí)間更長，然而極性頭基與周圍水分子過強(qiáng)的氫鍵相互作用并不利于二肽分子的自組裝。最后，研究了第一水化層內(nèi)水分子動(dòng)力學(xué)。溶劑可及表面積和水分子間形成氫鍵的角度分布表明分子型二肽分處于一個(gè)相對(duì)疏水的環(huán)境，同時(shí)水的擴(kuò)散系數(shù)和弛豫時(shí)間表明分子型二肽分子對(duì)周圍水的束縛較弱?？傮w來說，離子型二肽分子由于強(qiáng)的靜電相互作用不利于其自組裝行為，而分子型二肽分子能夠自組裝形成結(jié)構(gòu)規(guī)整的納米聚集體。

6、r>　　3.采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了CTAB分子在二氧化硅孔道內(nèi)驅(qū)油的過程。模擬結(jié)果得出，在施加外力的情況下，CTAB分子在驅(qū)油過程中能夠起到降低體系自由能的作用，使得原油更容易從毛細(xì)孔道內(nèi)剝離，并且能夠減小施加的外力。根據(jù)外力的變化情況，可以將剝離過程分為三個(gè)階段。首先，在第一個(gè)階段，施加的外力較小，不足以克服原油分子間以及原油分子與二氧化硅孔壁間的相互作用，因此原油在孔道內(nèi)移動(dòng)較小。其次，在第二個(gè)階段，外力不斷增加，水分子在原