《電解質溶液中膠體顆粒電泳遷移率的密度泛函理論研究》是依託清華大學，由於養信擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：電解質溶液中膠體顆粒電泳遷移率的密度泛函理論研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：於養信
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電泳技術是分離蛋白質和核酸的快速有效的方法，也是研究這些物質相互作用的重要手段之一。研究清楚電解質溶液中膠體遷移率與膠體本身和溶液條件之間的內在關係，對於蛋白質、核酸等生物大分子的分離工藝設計與最佳化等有著重要的科學意義。我們擬在申請人改進的硬球流體基本度量理論的基礎上，使用由混合電解質原始平均球近似理論得到的超額Helmholtz自由能表達式，選擇合適的靜電項權函式，計入離子相關性對Helmholtz自由能泛函的貢獻，提出能計算不同直徑離子體系中膠體表面電勢和離子濃度分布的新的密度泛函理論。然後將所建立的DFT與Liouville方程以及應力張量的一般式結合，建立起能夠預測電解質溶液中膠體電泳遷移率的統計力學和流體力學理論，用於指導電泳法分離蛋白質和核酸等生物大分子，滿足生物化工分離工藝設計以及人們對蛋白質和核酸在電場作用下運動的規律認識的需要。
結題摘要
帶電粒子在電場作用下的電動現象(包括電泳和電滲流)以及固體表面的吸附與遷移對於蛋白質和核酸的快速有效分離，能源納米材料的設計與合成有著重要的科學意義。本研究將提出的能計算離子體系中膠體表面電勢和離子濃度分布的密度泛函理論(DFT)與Liouville方程以及應力張量的一般式結合，建立起了能夠預測電解質溶液中膠體電泳遷移率的統計力學和流體力學理論，探討了膠體直徑、反離子價態和溶液離子強度等因素對膠體電泳遷移率的影響規律，確定了電解質溶液中膠體遷移率與膠體本身和溶液條件之間的內在關係。將DFT與Navier-Stokes方程結合，建立了能夠預測電解質在帶電膜孔中電滲流的數值計算方法，研究了膜孔表面電荷密度、電解質類型、主體相溶液濃度以及外加電場強度對電滲流速度分布的影響。我們建立的描述電動現象的理論，優於基於Poisson-Boltzmann方程的經典流體力學理論，其結果可用於指導電泳法分離蛋白質和核酸等生物大分子，滿足生物化工分離工藝設計，同時也為納濾膜分離電解質、重金屬離子去除、海水淡化以及飲用水純化等分離工藝提供了指導。另外，本項目驗證了從頭算密度泛函理論對於固體熱力學性質預測的可靠性。利用分子動力學模擬和從頭算密度泛函理論，研究了鹼金屬反離子對DNA 構象轉變動力學的影響和分子篩對CO2和CO的吸附機理，獲得了無水、半水和二水硫酸鈣的晶體形貌，計算了鎂等金屬離子在半水硫酸鈣晶面上吸附與替換的熱力學穩定性，發現鎂離子是半水硫酸鈣的一維生長的最佳促進劑。對於碳原子在Cu(111)面上的吸附與成核的計算研究，揭示了氣相沉積法合成石墨烯的機理。研究了鋰離子在氮摻雜的石墨烯上的吸附與儲存，發現不是所有的氮摻雜都會提高石墨烯作為鋰離子陰極材料的性能，只有含空穴的氮摻雜石墨烯才會提高其電池容量。套用從頭算密度泛函理論計算發現石墨方烯是一種具有電勢高、充放電速度快、容量大的鋰離子陰極材料，具有廣闊的套用前景。本項目的研究成果，加深了人們對膠體和電解質離子的電動現象的理解，為能源納米材料的設計與合成提供了可靠的參考信息，促進了化工熱力學學科的科學進步。
