分子研究自组装离子液晶纳米通道中水的束缚

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标签：学科前沿

关键词：离子液晶纳米通道离子传导

离子液晶(ILC)是一种由两个亲水性离子基团和疏水性烷基链构成的自组装纳米组织，其纳米相供应了与分子群关连的百般特征。在ILC中，离子团部份的亲水地区也许做为纳米通道，进而传输电子和分子。该通道时常被打算成一维(1D)柱状、二维(2D)近晶状和三维双连气儿相等组织形式。ILC中的疏水部份也许完成在没有纳米通道路途的环境下，反对分子的浸透。今朝，纳米通道的布局和互连实践手艺曾经被遍及钻研，其也许调控分子做为，特别离子纳米通道的筛选性浸透在理论运用中具备特别大的前程。但是，在分子程度上对这些离子性物资中水和离子传输特征的钻研报导还少之甚少。

近来，日本兵库大学、都门大学的HitoshiWashizu和YoshikiIshii、东京大学的TakashiKato钻研团队采纳密度泛函理论和分子动力学相联结的自洽模子和大范围分子动力学祈望，对水份子在离子纳米通道中的详细做为举行了深入钻研。模仿终归理解地供应了1D自组装柱状和3D双连气儿组织纳米通道的彼此毗邻。跟着氢键网络的产生，水份子被束缚在纳米通道内。解放能和各向异性散布系数的定量解析说明，1D纳米域的中标准若干组织更具备消融和散布的上风，有益于水份子的传输。

图1.ILC的分子结媾和DFT祈望赢得的电荷散布

（图片起源：Sci.Adv.）

首先对ILC化合物1举行了电荷解析，个中分子平衡电荷为±0.，铵离子的部份电荷为+0.。电荷迁徙要紧产生在铵阳离子和BF4-阴离子之间，即疏水部份的电荷散布背阴离子地区挪移。在增加水份子后的模子中，赢得了1D自组装柱状和3D双连气儿相两种组织形式，该组织形式经过X射线衍射测实考证。图2中也许看出ILC化合物在临界前提下，其离子部份的全数纳米通道是连气儿互连的。相较双连气儿组织而言，柱状组织具备更高的密度，但这类不同是较量小的，不到0.2%。看来中标准组织对化合物1的系统密度影响很小。

图2.欺诈OPLS-DFT和TIP3P举行MD祈望，赢得纳米组织自组装的图片及其定量消息

（图片起源：Sci.Adv.）

对离子纳米通道举行径向散布函数和电位解析显示，由于自组装纳米组织的影响，也许发觉不同离子的来往离子对偏向于精细联结在3D双连气儿组织中，而1D柱状组织则产生离子的大聚合。水份子在配位壳中牢凝固合，其联结解放能在-2.8至2.0kcal/mol范围内，这关于来往离子对特别有益。BF4-阴离子以-1.6至1.3kcal/mol的联结解放能第二次来往水份子。下图中也许看出水份子的列入显著消沉了第一和第二配位壳之间的能垒，并在0.70至0.75nm处产生亚稳态记号，第一和第二峰没有任何的地位偏移。这些做为是由水和BF4-阴离子在ILC纳米通道内的协同活动致使。

图3.经过OPLS-DFT和TIP3P的MD祈望赢得的纳米通道内的短程组织。

（图片起源：Sci.Adv.）

综上所述，在ILC的1D柱状和3D双连气儿组织纳米通道中，水份子经过产生水合壳和氢键网络使其与离子对的彼此效用变得很强。一方面，水合效应增加了水和BF4-阴离子的迁徙率，进而激活了ILC介质中的离子传导；另一方面，在ILC的水份子传输才能中，1D柱状纳米通道的中标准若干组织也许推进水的传输。该项钻研办事对成效化材料的打算供应了新的主张。

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