微波辐照下二甲基亚砜－氯化钠水溶液动力学特性

　　本文利用非平衡态分子动力学研究了微波条件下氯化钠-二甲基亚砜水溶液的氢键及壳层结构特性。水分子在溶液中由于氢键存在更亲近于二甲基亚砜分子而非离子，微波辐照下离子水壳层结构更容易被破坏，对化学反应速率产生影响。并且微波辐照时离子周围的水壳层相对于二甲基亚砜分子形成的壳层结构更脆弱，这就对微波辐照下的化学反应选择合适的溶剂提供了理论依据。所以微波能在除热效应之外还会通过影响离子壳层结构和氢键构象对化学反应速率产生影响。

　　微波能应用在近期的发展中已取得很大进步，其中微波支持的化学反应在实验室已取得成功，但在化工生产行业大规模应用微波能仍存在很大问题，尤其是大多数的化学反应属于液相反应。关于微波能的热与非热效应在极性液态体系中实验测量方法有介电弛豫谱、二维红外探测振动回波谱、中子非弹性散射、X射线衍射、核磁共振谱和时域反射法等，然而上述实验方法中很难在微波辐照条

　　件下测量。最近，非平衡态分子动力学仿真被广泛地运用在微波条件下分子系统动力学特性和结构特性的研究中。其中Niall　J.English运用非平衡态分子动力学方法研究了外电磁场条件下水的氢键结构，Kai-Tai　Chang等也用分子动力学原理探究了外磁场对水分子结构的影响，Lars　Thrane等分别运用太赫兹光谱和分子动力学方法阐述了温度相关的水的介电驰豫过程，Zijie　Lu等利用介电光谱分析了浓度相关的二甲基亚砜水溶液氢键结构特性。在研究非平衡态下溶液结构中，分子动力学研究可以准确地模拟在微波辐照下温度、浓度等变化对物质的影响。本文对工业上常用溶剂二甲基亚砜与氯化钠水溶液分别模拟了二甲基亚砜与氯化钠水溶液在不同温度条件、微波辐射下溶液中粒子结构的改变，研究微波作用对离子水壳层结构和氢键产生的影响。

　　1、分子动力学模拟

　　Ding　Pan等采用分子动力学方法研究了极化条件下水的介电特性，得出了地壳内高温高压时水及岩石的介电常数随温度、压强等的关系，本文模拟了分子动力学在加入微波场、浓度及温度等多因素条件时溶液微观结构的改变，并通过函数关系来模拟微观粒子结构变化和物质介电性能的变化。首先，氯化钠-二甲基亚砜水溶液仿真涉及260个水分子和240个二甲基亚砜(DMSO)分子置于一各相同性的盒子当中，水分子采用SPC/E模型，离子和分子相互作用等相关参数可以从Ashok　K.Das[17]获得。水浴温度分别为283，298，313K，气压为1×105　Pa，在盒子的三维施加周期性边界条件。分子模拟平衡过程采用Verlet　velocity算法，电磁场施加在NVT条件下以用来隔离热效应对整个过程的影响。电场强度ERMS =3×105　V/m (Emax =槡2ERMS )。仿真过程步长1fs，平衡过程500ps，每50fs进行一次存储。

　　结论

　　在微波辐照下的氯化钠-DMSO水溶液中，DMSO的浓度影响氢键的稳定性，并且DMSO可以与水分子形成比水分子之间更稳定的氢键结构。氢键是水溶液中存在的较强的分子间相互作用，这种关系使水分子更容易聚集在DMSO分子周围而非离子。此外离子周围形成的DMSO壳层结构在微波辐照下比水壳层稳固。这些溶液中的分子结构特性有助于在微波辐照下极化环境化学反应中来控制反应速率，为微波能在化工领域的大范围应用提供先验信息。