Page 26 - 精细化工2019年第9期
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·1754· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 36 卷
5 总结与展望 不同作用对整个体系自由能变化的贡献仍需深入
探讨。
经过多年发展,分子动力学模拟已经成为一种 (3)多尺度模拟技术相结合
研究表面活性剂自组装的有效手段,它可以弥补实 目前,已有文献报道量子化学计算与分子动力
验研究的不足,在分子层次上对自组装结构、自组 学对接模拟技术 [105] ,如何有效地把这种对接技术方
装过程进行分析进而揭示自组装机理。同时,分子 法引入到表面活性剂自组装的研究中,是解决自组
动力学模拟可以建立表面活性剂分子结构与聚集体 装弱相互作用的一种途径。此外,Boek 等 [93-94] 采用
性能间的构效关系,指导实验定向合成功能表面活 的多尺度对接技术为人们实现微观与宏观的对接
性剂分子。对目前的研究进展作以下总结: 提供了一种思路,这种方法需进一步优化和完善,
(1)表面活性剂聚集体的常见结构(球形、蠕 为实现微观结构参量与宏观性能关系的建立奠定
虫、囊泡)的自组装过程研究已经比较充分,但特 基础。
殊形貌聚集体的形成和形貌转变还需要进一步研 (4)模拟与实验结合
究,例如:复合囊泡、管状胶束、环形胶束等。 表面活性剂自组装研究中实验扮演了测试宏观
(2)目前,分子模拟可以准确描述各种微观结 性质,模拟扮演了揭示微观结构、组装机理等角色,
构参量,能够解释一些外界因素诱导形貌变化的内 两者有效结合才能更有效地服务于表面活性剂在自
在机理,但是对结构形貌转变过程中的一些弱相互 组装体研究的发展需求。因此,自组装研究过程中
作用阐释不足,其诱导结构转变的机理仍需深入研 需要注重模拟与实验的结合。
究,例如:氢键、VMD 相互作用、磁相互作用等, 随着软硬件条件及研究方法的发展,分子模拟
发展有效研究这些弱相互作用的模拟方法,将为自 技术能够揭示实验不能够捕捉的微观信息、自组装
组装形貌的有效调控提供更加准确的理论依据。 的微观机理,并对聚集体性能进行精确的预测,进
(3)表面活性剂自组装结构的性能研究方面已 一步对高性能体系的分子设计提供指导,对实验上
取得一定的成果,但是仍然有很多问题未得到解决, 自组装形貌的调控提供理论依据,这种技术的发展
例如:蠕虫状胶束体系黏度的精确计算、弹性性能 将会推动表面活性剂自组装领域的不断进步。
的评价、蠕虫状胶束微观结构参量、力学性能与宏
观性能间的关系等。 参考文献:
考虑到目前分子动力学模拟在研究表面活性剂 [1] Whitesides G M. Self-assembly at all scales[J]. Science, 2002,
295(5564): 2418-2421.
自组装中存在的问题,分子动力学模拟在以下几个 [2] Stone A J. Intermolecular potentials[J]. Science, 2008, 321(5890):
方面需要开展深入细致的研究: 787-789.
(1)建立精确的表面活性剂分子力场 [3] Israelachvili J N. Intermolecular and surface forces[J]. Quarterly
Review of Biology, 2011, 2(3): 59-65.
分子动力学模拟准确性的基础之一是精准的分 [4] Ghanbarzadeh S, Khorrami A, Arami S. Nonionic surfactant-based
子力场,建立精确的力场是准确模拟表面活性剂自 vesicular system for transdermal drug delivery[J]. Drug Delivery,
2015, 22(8): 1071-1077.
组装过程、组装体性能的前提条件。目前的分子力
[5] Kaur P, Garg T, Rath G, et al. Surfactant-based drug delivery systems
场虽然能够比较好地描述表面活性剂的自组装形 for treating drug-resistant lung cancer[J]. Drug Delivery, 2014, 23(3):
貌,但如何有效地在分子力场中体现弱相互作用, 1-12.
[6] Zhao X, Ma X, Sun J, et al. Enhanced catalytic activities of
也是目前表面活性剂力场开发研究中的难点和热点。
surfactant-assisted exfoliated WS 2 nanodots for hydrogen
(2)组装体形貌转变机理研究 evolution[J]. ACS Nano, 2016, 10(2): 2159-2166.
组装体形貌转变机理研究中,除一些微观参量 [7] Bakshi M S. How surfactants control crystal growth of nanomaterials
[J]. Crystal Growth & Design, 2015, 16(2): 1104-1133.
分析外,应充分发挥分子动力学模拟研究的优势, [8] Shrestha L K, Shrestha R G, Hill J P, et al. Surfactant-triggered
比如,各影响因素在表面活性剂自组装中存在相互 nanoarchitectonics of fullerene C 60 crystals at a liquid–liquid
交叉性,在实验上实现单一因素影响规律的考察是 interface[J]. Langmuir, 2016, 32(47): 12511-12519.
[9] Li W, Luo T, Yang Y, et al. Formation of controllable hydrophilic/
十分困难的,模拟研究中可以采用单因素变量对比 hydrophobic drug delivery systems by electrospinning of vesicles[J].
法,即不改变其他条件下仅改变待考察的因素,从 Langmuir, 2015, 31(18): 5141-5146.
[10] Wang S, Zhao K. Dielectric analysis for the spherical and rodlike
而获得这一因素的影响规律,逐一考察可以获得各
micelle aggregates formed from a gemini surfactant: Driving forces
因素调控的本质规律。另外,发展一些特殊的模拟 of micellization and stability of micelles[J]. Langmuir, 2016, 32(30):
技术实现胶束性能的考察,目前可以计算囊泡融合 7530-7540.
[11] Lu H, Shi Q, Wang B, et al. Spherical-to-wormlike micelle transition
过程中的自由能 [104] ,进一步如何计算整个体系在形 in a pseudogemini surfactant system with two types of effective
貌转变过程中的自由能,以及 VDW、静电、氢键等 pH-responsive groups[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical