Введение 3
Глава 1. Краткий обзор современного состояния исследований
структуры и свойств ионных жидкостей на основе нитратов солей аммония 4
Глава 2. Методика моделирования 6
2.1. Модельные потенциалы 6
2.2. Методика моделирования 8
2.3. Физические характеристики, рассчитанные по данным моделирования 9
Глава 3. Влияние вида модельного потенциала для
нитрат-аниона на микроструктуру и молекулярную подвижность
ИЖ на основе нитрата алкиламмония 11
3.1. Плотность модельных ИЖ 11
3.2. Функции радиального распределения 11
3.3. Самодиффузия 14
3.4. Функции автокорреляции вращательных переориентаций
нитрат-аниона 16
Заключение 19
Список литературы 21
Приложение 1
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию ионных
жидкостей (ИЖ). Этот интерес вызван тем набором уникальных свойств,
которыми обладают данные соединения: химическая и термическая
устойчивость, вязкость, высокие полярность и электропроводность,
относительно большой диапазон электрохимической стабильности. ИЖ
остаются в жидком состоянии в широком интервале температур, а также
являются хорошими растворителями. Все эти факторы обуславливают
широкое практическое применение ИЖ и большой интерес к ним.
Впрочем, несмотря на значительные усилия исследователей, добиться
детального описания процессов формирования микроструктуры ИЖ, а также
установить однозначную связь между микроскопическими характеристиками
и измеряемыми в эксперименте величинами, к настоящему моменту не
удалось. Многообразие внутри- и межмолекулярных процессов в ионных
жидкостях крайне затрудняет интерпретацию имеющихся экспериментальных
данных. Использование же методов компьютерного моделирования серьёзно
ограничено недостатком модельных потенциалов, специально
адаптированных для описания ИЖ.
В данной работе с помощью метода молекулярной динамики исследовано
влияние вида модельных потенциалов для нитрат-аниона на микроструктуру
и молекулярную подвижность трёх протонных ИЖ: нитратов этил-, пропил- и бутиламмония.
В данной работе с помощью метода молекулярной динамики было
исследовано влияние вида параметров модельных потенциалов для нитратаниона на микроструктуру и молекулярную подвижность трёх протонных ИЖ:
нитратов этил-, пропил- и бутиламмония. По результатам моделирования
были оценены модельные плотности указанных ИЖ, рассчитан набор из 7
различных функций радиального распределения, коэффициенты
самодиффузии как катионов, так и анионов, а также вычислены функции
автокорреляции вращательной переориентации нитрат-анионов и оценены
соответствующие времена переориентаций.
Расчетные данные по плотности рассмотренных ИЖ хорошо согласуются с
экспериментальными. Изменение параметров потенциала для нитрат-аниона
не приводит к существенному изменению плотности модельной ИЖ и все три
рассмотренных варианта потенциалов позволяют корректно описывать ЭАН,
ПАН и БАН при нормальных условиях. При этом наилучшее согласие с
экспериментальными значениями наблюдается для Потенциала III.
Анализ вида функций радиального распределения показал, что взаимная
ориентация ближайших друг к другу нитрат-анионов, для Потенциалов I и II
носит качественно сходный характер. Для потенциала III картина
принципиально отличается. Таким образом, был сделан вывод о том, что в
численном моделировании могут быть воспроизведены два возможных типа
расположения ближайших нитрат-анионов друг относительно друга. Также
было отмечено, что сильные электростатические взаимодействия между
атомами положительно заряженной аминогруппы и отрицательно
заряженного нитрат-аниона приводят к образованию устойчивой структуры
локального окружения, слабо зависящей от варьирования как модельных
параметров, так и числа метиленовых групп катиона. При этом NO3-
ориентирован к атому азота аминогруппы двумя кислородами.20
Анализ диффузионных данных показал, что варьирование параметров
модельного потенциала для нитрат-аниона приводит к заметному изменению
величин коэффициентов самодиффузии как аниона, так и катионов. При этом
проследить однозначную взаимосвязь между изменением числа метиленовых
групп и величинами коэффициентов самодиффузии в ИЖ на основании имеющихся данных не удалось.
Анализ поведения функции автокорреляции вращательной переориентации
нитрат-аниона показал, что все полученные функции могут быть с хорошей
точностью описаны суммой двух экспонент и двух характерных времен
переориентации: “быстрой” (порядка 10-15 пс) и “медленной” (от
приблизительно 100 пс до нескольких наносекунд). Причем скорость
“быстрой” переориентации практически не зависит как от параметров
модельного потенциала и вида противоиона, так и от типа рассматриваемого
вектора. Скорее всего, соответствующее характерное время связано с быстрым
колебательным движением нитрат-анионов в близи положения равновесия,
вызванного тепловым движением. В случае же “медленной” переориентации
скорость вращательных движений в плоскости нитрат-аниона примерно в дватри раза выше скорости переориентации плоскости, в которой лежат атомы
нитрат-аниона. При этом увеличение модельных зарядов на атомах кислорода
приводит к существенному замедлению процессов переориентации нитратаниона. Влияние числа метиленовых групп на времена переориентаций носит неоднозначный характер.
Полученные результаты показали, что изменения модельных параметров 4хцентровой модели для нитрат-аниона позволяют эффективно варьировать
кинетические характеристики модельных ИЖ на основе ионов алкиламмония.
