Морфология разветвленных иономерных систем : Компьютерное моделирование

• Автор: Гальперин, Дмитрий Евгеньевич
• Шифр специальности: 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 96 с. : ил.

Содержание.
Введение.

1.Обзор литературы.

1.1 Дендримеры в растворе.

1.1.1 Основные модели дендримеров.

1.1.2 Детальное атомистическое моделирование дендримеров.

1.1.3 Влияние электростатических взаимодействий на конформации дендримеров. 1.2 Протоннообменные мембраны для топливных элементов.

Мембрана Ыабоп.

1.2.1 Феноменологические модели структуры мембраны Ыабоп.

Обзор экспериментальных данных.

1.2.2 Моделирование микрофазноразделенных структур протоннообменных мембран.

1.2.2.1 Атомистическое моделирование.
1.2.2.2 Свойства отдельных молекул.
1.2.2.3 Морфология гидрофильной фазы.
1.2.2.4 Влияние мономерной последовательности на структуру мембраны.
1.2.2.5 Мезоскопическое моделирование морфологии мембраны ЫаПоп.
2. Структура заряженной молекулы дендрнмера
полипропиленнмина и распределение зарядов в ней.
2.1 Описание модели.
2.2 Алгоритмы моделирования.
2.3 Моделирование нейтральной молекулы дендримера.
2.4 Изучение заряженной молекулы дендримера полипропиленимина
в рамках модели мигрирующих зарядов.
2.5 Изучение заряженной молекулы дендримера полипропиленимина
в рамках модели мигающих зарядов. Кривые титрования.
2.6 Сравнение моделей. Влияние раствора на размер молекулы дендримера. Сравнение моделей.
3. Морфология протоннообменной мембраны 1.
3.1 Алгоритм моделирования.
3.2. Огрубленная модель молекулы ЫаОоп.
3.3 Микрофазноразделенные структуры гидратированной мембраны ЫаОоп.
3.4 Внутренняя структура водных кластеров.
3.5 Воссоздание атомистической структуры мембраны по полям средних концентраций компонентов системы.
Заключение.
Благодарности.
Список литературы


Очевидно, что конформации молекул дендримера существенно влияют на их свойства и возможности практического применения 14, поэтому компьютерное моделирование молекул дендримера с явным учетом контрионов является, безусловно, важной и актуальной задачей. Одним из наиболее интересных представителей гребнеобразных иономерных молекул является семейство иономеров ЫаПоп. Мембраны, полученные на базе этого полимера, обладают способностью к протонной проводимости и успешно применяются в топливных элементах. Более того, топливный элемент ТЭ на протоннообменной мембране одна из наиболее многообещающих современных технологий. Такой ТЭ состоит из двух электродов с нанесенным на них платиновым катализатором и протоннообменной мембраны, закрепленной между ними. Мембрана представляет собой тонкое твердое органическое соединение и служит электролитом. Водород поступает к аноду, который называется топливным электродом. С помощью катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации, молекула расщепляется на два протона и два электрона. Протоны проходят через электролит, в то время как время электроны протекают через внешний контур, что создает постоянный ток. В воздушном электроде, катоде, протоны и электроны соединяются с кислородом и образуют воду. Работа топливного элемента на протоннообменной мембране зависит от проводимости мембраны , которая в свою очередь зависит от наноструктуры и степени гидратации мембраны. Поэтому для понимания процесса ионного транспорта в мембране а также газовой проницаемости и механических свойств требуется знание е структурных характеристик. Несмотря на обилие экспериментальных данных окончательная картина внутренней структуры мембраны ещ не сформирована. В связи с этим изучение морфологии подобных мембран различными методами моделирования вызывает особенный интерес. Целью настоящей диссертационной работы является компьютерное моделирование разветвленных иономерных систем одиночной молекулы дендримера полипропиленимина и протоннообменной мембраны изучение изменения структуры этих систем под влиянием различных факторов качества растворителя, диэлектрической проницаемости, ионной силы раствора, , концентрации контрионов в случае молекул дендримера, и температуры и степени гидратации в случае мембраны . Работа построена следующим образом. В первой главе представлен обзор экспериментальных фактов, определяющих свойства рассматриваемых систем и работ по их моделированию. Во второй главе изучается структура отдельной заряженной молекулы дендримера полипропиленимина в присутствии контрионов и распределение зарядов в ней. Рассматривается влияние параметров внешней среды, приводится сравнение различных моделей. Третья глава посвящена исследованию морфологии протоннообменной мембраны , изучается разделенная на микрофазы структура мембраны, ее зависимость от температуры и степени гидратации, эквивалентного веса молекулы . Дендримеры в растворе. Основные модели дендримеров. На данный момент известно большое количество различных синтезированных молекул дендримеров. Исследование свойств конформаций линейных полимерных цепей активно развивалось во второй половине XX века. Дендримеры, напротив, являются весьма сложными объектами для теоретического исследования. Несмотря на большие молекулярные веса их разветвленная архитектура приводит к тому, что молекулы дендримеров имеют вид компактных сферических коллоидных частиц, чем существенно отличаются от линейных молекул. Ключевой характеристикой системы при моделировании является ее гамильтониан, учитывающий кинетическую энергию метод молекулярной динамики и все составляющие потенциальной энергии такие как энергия связей, энергия исключенного объема, стереохимический, дисперсионный и электростатический вклады. Его влияние сказывается на параметрах взаимодействия исключенного объема и электростатического взаимодействия. Исследование размеров и форм изолированных дендримеров играет ключевую роль в понимании не только свойств молекул, но и концентрированных растворов. Типичными величинами, характеризующими свойства конформаций, являются радиус инерции и профиль плотности.