咪唑类室温离子液体空间结构不均匀性的理论研究

【摘要】通过分子动力学模拟并辅以简单量子化学计算，本文对室温离子液体进行了模拟和理论研究。尤其，侧重于对其独有的空间结构不均匀性的研究。由于当前的实验手段基本无法精确探测液体内部的运动与结构特征，所以通过某种手段使微观与宏观建立联系便成为了研究液体的一种有效方法。例如实验上发现了某种液体具有特殊的现象或者性质，由于无法直接观测到纳米尺度下的微观机理，所以通过某种方法来探究到底是什么微观机制导致了特殊现象的发生便成为了人们的迫切需求。分子动力学模拟作为一种能够模拟液体在纳秒时间尺度和纳米空间尺度运动规律的手段，已经广泛的被人们使用来探究液体宏观现象发生的微观机制。本文从室温离子液体特有的两个实验现象出发，详细介绍了如何通过分子动力学模拟以及辅以简单量子化学计算来研究宏观现象的微观机理。尤其，侧重阐明其形成的特殊空间结构对宏观性质的影响。这两个特殊的实验现象如下：（1）当有一种荧光分子2-amino-7-nitrofluorene(ANF)放入室温离子液体后，此时如果打入不同波长的激发光，并检测与之对应的发射光，会发现发射光波长会因为激发光波长的增加而增加，就是发生了红移，也称之为发射光波长依赖的荧光行为。然而，ANF放入其他的有机溶剂，例如乙醇中，则不会发生这种现象。另外，如果是衰减时间长的荧光分子放在室温离子液体中也不会出现红移的现象。（2）石墨烯或者碳纳米管可以在室温离子液体中分散而形成胶体。这种胶体已经广泛的被应用到了太阳能电池、燃料电池和传感器等电子器件中。然而，碳纳米材料在室温离子液体中得以很好分散的微观原因还存在很大的争议。有人通过光谱实验推测范德华作用力是最主要的原因，还有人认为是离子液体的阳离子和碳纳米材料的π电子发生了相互作用才是导致这种特殊现象的本质原因。针对第一个实验现象，我们以咪唑类室温离子液体为例，通过模拟研究发现由于离子液体空间结构的不均匀性，ANF分子分布在离子液体所形成的不同区域会产生不同的光学响应，我们进一步总结了二者之间的关系，并且呈现在了本文中。针对第二个实验现象，我们以石墨烯分散在咪唑类室温离子液体中为例。首先通过量子化学计算，发现了石墨烯与离子液体的阳离子之间的范德华作用力和阳离子-π作用力具有同一性，即运用经典的分子动力学模拟的力场参数可以表示出阳离子-π相互作用。然后，我们通过分子动力学模拟发现石墨烯板在离子液体中难于聚合到一起的原因，是由于在空间上两个板之间夹杂的离子液体分子对石墨烯板的范德华力，这个作用力的积分会产生相当大的阻碍能量来阻止石墨烯板的聚合。同时，本文还揭示了室温离子液体的空间结构不均匀性对石墨烯分散的影响。
【作者】赵英鹤；
【导师】胡中汉；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】分子动力学模拟；室温离子液体；空间不均匀性；发射光波长依赖的荧光行为；石墨烯；阳离子-π；相互作用；范德华相互作用；

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