Исследование распределения ионов в нанопористых материалах с помощью аналитического подхода и молекулярного моделирования
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-172-177
Аннотация
Физические и химические процессы, которые происходят в наноограниченных водных растворах, особенно роль взаимодействий «растворенное вещество-поверхность раздела» и «растворенное вещество-растворенное вещество» внутри нанопор, являются источником селективности фильтрации и требуют дальнейшего изучения. Цель состоит в том, чтобы выяснить достоверность различных приближений, основанных на макроскопическом подходе среднего поля, путем сравнения их с вычислительными методами, такими как метод Монте-Карло (GCMC) и классическая молекулярная динамика (МД). Эти методы используются для изучения распределения ионов на границе раздела вода/нанопоры. На молекулярном уровне результаты показывают, что распределение ионов зависит от их размера, поляризуемости и структуры воды, когда она явно добавляется в модель, что не может быть воспроизведено примитивной моделью, использующей GCMC и подход среднего поля, основанный на по уравнению Пуассона-Больцмана.
Список литературы
1. Dresner L., Kraus K.A. Ion exclusion and salt filtering with porous ion-exchange materials. J. Phys. Chem., 1963, 67, P. 990–998.
2. Jacazio G., Probstein R.F., Sonin A.A., Yung D. Electrokinetic salt rejection in hyperfiltration through porous materials: Theory and experiments. J. Phys. Chem., 1972, 76, P. 4015–4023.
3. Siwy Z., Fulinski A. Origin of Noise in Membrane Channel Currents. Phys. Rev. Lett., 2002, 89, P. 158101–158104.
4. Crozier P.S., Rowley R.L. Molecular dynamics simulation of continuous current flow through a model biological membrane channel. Phys. Rev. Lett., 2001, 86, P. 2467–2470.
5. Roux B., Karplus M. Molecular dynamics simulations of the gramicidin channel. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 1994, 23, P. 731–761.
6. Jardat M., Hribar-Lee B., Vlachy V. Self-diffusion of ions in charged nanoporous media. Soft Matter., 2012, 8, P. 954–964.
7. Donnan F.G. The theory of membrane equilibrium and membrane potential in the presence of a non-dialyzable electrolyte. A contribution to physical-chemical physiology. Z. F¨ur Elektrochem. Und Angew. Phys. Chem., 1911, 17, P. 572–581.
8. Palmeri J., Blanc P., Larbot A., David P. Theory of pressure-driven transport of neutral solutes and ions in porous ceramic nanofiltration membranes. J. Membrane Sci., 1999, 160 (2), P. 141–170.
9. Chang C.W., Chu C.W., Su Y.S., Yeh L.H. Space charge enhanced ion transport in heterogeneous polyelectrolyte/alumina nanochannel membranes for high-performance osmotic energy conversion. J. Mater. Chem. A, 2022, 10, P. 2867–2875.
10. Jamnik B., Vlachy V.J. Ion Partitioning between Charged Micropores and Bulk Electrolyte Solution. Mixtures of Mono- and Divalent Counterions and Monovalent Co-Ions. Am. Chem. Soc., 1995, 117 (30), P. 8010–8016.
11. Dubois M., Zemb T., Belloni L., Deville A., Levitz P., Setton R. Osmotic pressure and salt exclusion in electrostatically swollen lamellar phases. J. Chem. Phys., 1992, 96, P. 2278–2286.
12. Hartnig C., Witschel C., Spohr E., Bunsenges Ber. Molecular dynamics study of electrolyte-filled pores. Phys. Chem., 1998, 102, P. 1689–1692.
13. Boiteux C., Kraszewski S., Ramseyer C., Girardet C. Ion conductance vs. pore gating and selectivity in KcsA channel: modeling achievements and perspectives. J. of Molecular Modeling, 2007, 13, P. 699–713.
14. Allen T.W., Kuyucak S., Chung S.H. Molecular dynamics study of the KcsA potassium channel. Biophys. Chem., 2000, 86, P. 1–14.
15. Compoint M., Carloni P., Ramseyer C., Girardet C. Molecular dynamics study of the KcsA channel at 2.0-angstrom resolution: stability and concerted motions within the pore. Biochimica Biophysica Acta– Biomembranes, 2004, 1661, P. 26–39.
16. Corry B., Allen T.W., Kuyucak S., Chung S.H. A model of calcium channels. Biochim. Biophys. Acta, 2000, 1509, P. 1–6.
17. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., Van Gunsteren W.F., Dinola A., Haak J.R. Molecular dynamics with coupling to an external bath. J. Chem. Phys., 1984, 81 (8), P. 3684–3690.
18. Caldwell J.W., Kollman P.A. Structure and Properties of Neat Liquids Using Nonadditive Molecular Dynamics: Water, Methanol, and N Methylacetamide. J. Phys. Chem., 1995, 99 (16), P. 6208–6219.
19. Gupta A., Rajan A.G., Carter E.A., Stone H.A. Ionic Layering and Overcharging in Electrical Double Layers in a Poisson-Boltzmann Model. Phys. Rev. Lett., 2020, 125, 1103.
20. Caldwell J.W., Kollman P.A. Structure and Properties of Neat Liquids Using Nonadditive Molecular Dynamics: Water, Methanol, and N Methylacetamide. J. Phys. Chem., 1995, 99 (16), P. 6208–6219.
21. Hijnen H.J.M., Van Daalen J., Smit J.A.M.J. The application of the space-charge model to the permeability properties of charged microporous membranes. Colloid Interface Sci., 1985, 107, P. 525–539.
22. Palmeri J., Blanc P., Larbot A., David P. Theory of pressure-driven transport of neutral solutes and ions in porous ceramic nanofiltration membranes. J. Membrane Sci., 1999, 160, P. 141–170.
23. Case D.A., et al. AMBER9. University of California, San Francisco, 2006.
24. Jungwirth P., Tobias D.J. Specific ion effects at the air/water interface. Chem. Rev., 2002, 106, P. 1259–1281.
25. Chandler D. Interfaces and the driving force of hydrophobic assembly. Review Nature, 2005, 437, P. 640–647.
Рецензия
Для цитирования:
Двейк Д., Коабаз М. Исследование распределения ионов в нанопористых материалах с помощью аналитического подхода и молекулярного моделирования. Наносистемы: физика, химия, математика. 2023;14(2):172-177. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-172-177
For citation:
Dweik J., Koabazb M. Study of ion partitioning in nanoporous materials by analytical approach and molecular modeling. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023;14(2):172-177. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-172-177
Просмотров:
3
Послать статью по эл. почте 