CC BY
3ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
МОДЕЛИРОВАНИЕ САМОСБОРКИ ВОДНЫХ
НАНОСТРУКТУР
Киров М.В., Гудковских С.В.
Институт криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН, 625026, г. Тюмень, ул. Малыгина, 86
Понимание процессов самоорганизации и самосборки водных наноструктур имеет ключевое значение для фундаментальной науки и современных технологий, включая совершенствование протонпро-водящих мембран для топливных элементов. Структура биологических систем, а также структура ионообменных мембран являются результатом самоорганизации растворителей с участием молекул воды. В данной работе представлены результаты исследования механизмов самоорганизации и самосборки водных наноструктур. Компьютерное моделирование выполнено на базе пакета межмолекулярного моделирования Tinker с применением потенциала Amoeba. Это один из наиболее точных неаддитивных межмолекулярных потенциалов для воды. Наряду с гибкостью молекул он учитывает поляризацию всех атомов. Полученные нами результаты расчетов свойств нанотрубок льда с различным направлением водородных связей показали высокую степень согласованности с результатами ab initio вычислений. Интересные особенности взаимодействия кубических кластеров воды были обнаружены в ходе изучения свойств слабосвязанных регулярных водных наноструктур. В ходе локальной структурной оптимизации четырехсекционной нанотрубки льда квадратного сечения, т. е. при монотонном снижении общей потенциальной энергии, повернулись два куба, образующие трубку. Конечная форма трубки при этом осталась прежней [1]. Это крайне необычное изменение структуры однозначно указало на очень сильное специфическое взаимодействие кубических кластеров.
Далее, в ходе моделирования, было установлено, что в качестве строительных блоков для самосборки конечных и протяженных систем лучше всего использовать кубические кластеры воды с симметрией D2d и S4 [2]. Эти почти изоэнергетические кластеры обладают целым рядом уникальных и весьма важных свойств. Во-первых, они сильно выделяются повышенной стабильностью из числа других кубических изомеров, а также и среди всех других октамеров воды. Поэтому в процессе объединения этих кластеров происходит именно самосборка без какой бы то ни было структурной реорганизации самих кластеров. Во-вторых, эти кластеры хорошо изучены и теоретически, и экспериментально. В-третьих, они имеют геометрическую форму, идеально соответствующую строительным блокам. В-четвертых, сильное специфическое взаимодействие между этими кластерами и простые правила состыковки (водородного связывания) определяют способность этих кластеров к самосборке высокоорганизованных структур, для которых наиболее явным структурным мотивом являются фрагменты квадратных нанотрубок льда. Объединение кубических кластеров воды может приводить к образованию уникальных квазидвумерных и трехмерных кристаллических систем. Сборка с помощью обычных нанокристаллов, как правило, приводит к режимам плотной упаковки. В этом случае редко наблюдаются высокоупорядоченные структуры. Напротив, кластеры со структурой атомной точности открывают возможность разработки контролируемой стратегии самосборки.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (Проект № 22-23-00092).
[1] S. V. Gudkovskikh and M. V. Kirov, Shape-shifters among water clusters, Structural Chemistry, 34, 1507-1515, 2023.
[2] S. V Gudkovskikh and M. V Kirov, Cubic water clusters as building blocks for self-assembly, Chemical Physics, 572 111947 (1-7) 2023.
