重质油稳定性的耗散粒子动力学模拟

重质油的稳定性关乎其开采、储运及加工过程安全。准确的重质油稳定性判定方法对重质油生产及加工过程具有重要指导意义,然而重质油稳定性的经验判定法存在一定的局限性。从理论层面建立重质油稳定性的判定方法将提高重质油稳定性的预测准确度,本文基于耗散粒子动力学方法（DPD）模拟了不同重质油体系分子的微观聚集态。模拟结果表明,重质油体系的沥青质聚集率与胶体不稳定指数（C.I.I.）及稳定性判定图的判定结果吻合,验证了模拟体系的准确性。在此基础上,基于DPD模拟结果对C.I.I.及稳定性判定图的局限性进行了讨论,提出了改进的稳定性判定图用于重油稳定的快速判定。提出的重质油稳定性判定方法有望用于实际工业过程。     

SBA-15介观相形成过程的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学方法（dissipative particle dynamics,DPD）,以介孔分子筛SBA-15的合成原料P123/TEOS/H₂O为研究体系,模拟了P123/TEOS超分子自组装行为,及剪切力作用下介孔分子筛SBA-15六角介观相的形成过程。结果表明：在水溶液中,P123与TEOS两相能够发生协同作用自组装形成超分子聚集体（胶束）,该胶束由疏水的PPO球核、亲水的PEO球壳以及聚集包裹在P123外部的TEOS组成;引入稳恒剪切力后,P123/TEOS超分子聚集体则会逐渐转变成规整的六角结构,并最终形成SBA-15六角介观相,这与实际材料的TEM电镜图片相吻合。可以说,DPD模拟方法是一个研究有序介孔分子筛SBA-15形成机理的有效手段,可为实验合成提供介观层面上的重要信息。此外,还拓展了DPD模拟在超分子自组装介观尺度研究方面的新应用。     

固体脂质微颗粒表面稳定剂的分布状况对其稳定性的影响：介观模拟与实验

用耗散粒子动力学（DPD）方法研究了稳定剂在负载布洛芬的固体脂质微颗粒（solid lipid microparticles, SLM）表面的分布状况。模拟结果表明：以卵磷脂为稳定剂，当布洛芬的摩尔分数为1%和2%时，卵磷脂较好地包覆在颗粒的表面；而当布洛芬的摩尔分数增大到3%和5%时，卵磷脂不能覆盖在布洛芬分子密集的部位。以poloxamer 407和PVA为稳定剂，随着布洛芬摩尔分数由1%增大到5%，稳定剂都能很好地包覆在颗粒的表面。实验现象较好地吻合了模拟结果。采用DPD模拟方法，可以加深了解多相复杂载药体系的微观结构并对实验现象进行分析，为SLM稳定剂的筛选提供理论指导。     

温敏性两亲嵌段共聚物相行为的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学模拟研究了由温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)与聚己内酯(PCL)构成的两亲嵌段共聚物(PCL-PNIPAM-PCL)在水溶液中自组装的动力学过程及微相分离现象,考察了溶液浓度及温度对其相行为的影响。模拟发现不同体积分数的嵌段共聚物在水溶液中呈现出不同的自组装形貌,如球状胶束、柱状胶束、层状胶束等。温度对其在水溶液中的形貌及相变行为有着显著的影响。当温度较低时,PCL-PNIPAM-PCL于稀溶液中可形成稳定的以PCL为核,PNIPAM为壳的球形核壳胶束;而当温度升高到某一值时,在低温时所形成的球形核壳胶束将因温度的升高而转变为表面由PCL组成的多个不连续微区的多隔段胶束。这种温敏现象在耗散粒子动力学模拟中尚属首次被发现。另外,模拟中所得到的该体系的低临界溶解温度与实验测得的值也符合良好。对这一温敏现象作了较深入和细致的解释。本文工作表明耗散粒子动力学能用来研究温度对温敏性两亲嵌段共聚物相行为的影响并揭示其中的机制和一般规律。     

熔体静电纺丝纤维下落过程的DPD探索模拟

静电纺丝是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法,为了深入了解熔体静电纺丝纤维下落过程中的变化情况,探索用耗散粒子动力学介观模拟方法创建了静电纺丝模拟体系,模拟出聚合物黏度对不同阶段纤维下落速度的影响,发现纤维下落速度增加到一个最大值时,又逐渐变小;还模拟了聚合物不同链长时纺丝纤维的下落形貌,发现随着链长增加,纤维下落速度逐渐减慢;最后研究了弹簧系数对下落过程中聚合物均方末端距的影响,均方末端距增加到一个最大值时,又逐渐变小。从介观模拟的角度对熔体静电纺丝纤维下落过程进行了模拟探索,对这一物理现象中的科学问题得到了更深层次的理解。     

重油组分密度表征和结构验证的分子模拟

经实验推断重油组分平均分子结构后,利用分子模拟技术对重油组分密度和分子结构合理性进行了研究。通过对模型化合物正四十烷、1-十二烷基萘的密度模拟确定了分子模拟所适合的模拟参数和计算流程,在同样的条件下进行重油组分密度的模拟,并与实验值进行比较。结果表明,模型化合物正四十烷、1-十二烷基萘的密度模拟值的相对误差分别为0.27%和0.26%,说明采用的模拟参数和计算流程适于密度模拟表征;在相同模拟条件下,可较为准确地获得重油组分的密度值,与实验值的相对误差约为2%～3%,说明所推断的重油组分平均分子结构是合理可靠的。分子模拟在密度表征的同时也可作为判断所推测平均分子结构合理性的工具。     

Dissipative particle dynamic simulation on the assembly and release of siRNA/polymer/gold nanoparticles based polyplex

Dissipative particle dynamics simulation is used to reveal the loading/release of small interfering RNA (siRNA) in pH‐sensitive polymers/gold nanoparticles (AuNPs) polyplex. The conformation dynamics of these polyplex at various Au/siRNA mass ratios, the original AuNPs sizes, polymer types, and pH values are simulated and compared to experimental results. At neutral conditions (pH = 7.4), spherical micelles with a multilayer structure are formed in siRNA/polyethyleneimine/cis‐aconitic anhydride functionalized poly(allylamine)/polyethyleneimine/11‐mercaptoundecanoic acid‐gold nanoparticle (siRNA/PEI/PAH‐Cit/PEI/MUA‐AuNP) polyplex. Large polyplex are obtained with high Au/siRNA mass ratio and/or small original AuNPs size. The release dynamics of siRNA from AuNPs‐polyplex systems were also simulated in the intracellular environment (pH = 5.0). A swelling‐demicellization‐releasing mechanism is followed while the release of siRNA is found much faster for polyplex involving charge‐reversal PAH‐Cit. These findings are qualitatively consistent with the experimental results and may provide valuable guidance in later design and optimization of delivery carriers for siRNA or other molecule probes. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 810–821, 2018     

Dissipative particle dynamics simulation study on complex structure transitions of vesicles formed by comb-like block copolymers

Vesicles are membrane-enclosed capsules that can store or transport substances. Their structures and the corresponding structural transitions are important to fulfill specific functions. Using dissipative particle dynamics method, we study the complex structure transitions of vesicles that are spontaneously formed by A₆(B₂)₃ type comb-like block copolymers. In the simulations, the interaction parameters between different components are tuned to mimic the variations of amphiphilicity of the block copolymers and the selectivity of the solvent which are experimentally tractable by, for example, a temperature quench. Complex vesicle structures are found in this research; their transitions, such as fission and reversal, are studied in detail with this dynamic simulation method. We find that the line tension plays a decisive role on the vesicle fission pathways. Moreover, the tube-like vesicles tend to transform to a special layered micelle structure, whereas the onion-shape vesicles tend to transform to reverse onion-shape vesicles when vesicle reversal takes place due to the variation of solvent selectivity.     

复杂物系的介观结构和DPD模拟

耗散粒子动力学(DPD)模拟方法是研究复杂物系介观结构的一种重要手段。首先简要介绍了DPD模拟方法,然后介绍了实际物系与DPD模型映射的2种方法,即Groot和Warren方法以及Pagonabarraga和Frenkel方法。最后对DPD模拟的理论和应用研究进展作了回顾。