دانلود رایگان ترجمه مقاله ترمودینامیک سطح مشترک آب حبس شده نزدیک سطوح مولکولی زبر (نشریه RSC 2010) (ترجمه ارزان – نقره ای ⭐️⭐️)

RSC

 

 

این مقاله انگلیسی ISI در نشریه RSC در ۱۶ صفحه در سال ۲۰۱۰ منتشر شده و ترجمه آن ۸ صفحه میباشد. کیفیت ترجمه این مقاله ارزان – نقره ای ⭐️⭐️ بوده و به صورت کامل ترجمه شده است.

 

دانلود رایگان مقاله انگلیسی + خرید ترجمه فارسی
عنوان فارسی مقاله:

ترمودینامیک سطح مشترک آب حبس شده نزدیک سطوح مولکولی زبر

عنوان انگلیسی مقاله:

Interfacial thermodynamics of confined water near molecularly rough surfaces

 
 
 
 
 

 

مشخصات مقاله انگلیسی (PDF)
سال انتشار ۲۰۱۰
تعداد صفحات مقاله انگلیسی ۱۶ صفحه با فرمت pdf
رشته های مرتبط با این مقاله شیمی
گرایش های مرتبط با این مقاله شیمی آلی، شیمی فیزیک و شیمی کاربردی
چاپ شده در مجله (ژورنال) بررسی های فارادی – Faraday Discussions
ارائه شده از دانشگاه گروه مهندسی شیمی، دانشگاه لیش، پنسیلوانیا، ایالات متحده آمریکا
رفرنس دارد  
کد محصول F1270
نشریه RSC

 

مشخصات و وضعیت ترجمه فارسی این مقاله (Word)
وضعیت ترجمه انجام شده و آماده دانلود
تعداد صفحات ترجمه تایپ شده با فرمت ورد با قابلیت ویرایش  ۱۶ صفحه با فونت ۱۴ B Nazanin
ترجمه عناوین تصاویر  ترجمه شده است ✓ 
درج تصاویر در فایل ترجمه درج شده است  
درج فرمولها و محاسبات در فایل ترجمه  به صورت عکس درج شده است  
منابع داخل متن درج نشده است 
کیفیت ترجمه کیفیت ترجمه این مقاله متوسط  میباشد 

 

فهرست مطالب

چکیده
۱- مقدمه
۲- مدل ها و روش ها
۳- نتایج و بحث
۴- اظهارات نتیجه گیری شده

 

 

بخشی از ترجمه
 چکیده
ما اثرات زبر نانواسکوپیک را روی انرژی آزاد سطح مشترک آب حبس شده میان سطوح جامد مطالعه کرده ایم. آب SPC/E از لحاظ حبس میان دو سطح مسطح عظیم که از لحاظ توپولوژی فیزیکی شان متفاوت باشند، همسان است. یکی صاف و دیگری از لحاظ فیزیکی زبر در یک مقیاس طولی نانومتری می باشد. این دو از لحاظ ترمودینامیک شبیه هم درنظر گرفته شده اند و فشار ثابت یا به طور نرمال یا به طور موازی به دیواره ها منطبق با شرایط ازمایشگاهی مختلف دارند. ما دریافته ایم که زبری سطح در مقیاس مولکولی به طور معنی داری انرژی ازاد سطح مشترک جامد-مایع را در مقایسه با سطح صاف افزایش می دهد. برای سطوح ما با یک حداقل انرژی آب-دیوار برابر با −۱٫۲ kcal/molیک انتقال را از یک سطح هیدروفیلیک به یک سطح هیدروفوبیک در یک دامنه زبری حدود ۳ Åو یک طول موج حدود ۱۱٫۶ Åمشاهده می کنیم که با یک انرژی ازاد هم کنشگری است که علامت ان از منفی به مثبت تغییر می کند. در توافق با مطالعات قبلی آب نزدیک سطوح هیدروفوبیک، ما یک افزایشی را در قابلیت پرس شدن ایزوترمی آب با افزایش زبری سطح یافتیم. جالب اینکه، سنجش متوسط چگالی آب و تعداد پیوند هیدروژنی حاوی نشانی از هیدروفوبیسیته افزایش یافته نیست. برعکس، یک تحلیل موضعی مرطوب زدایی ناپایدار آب در دره های سطوح زبر همراه با از دست دادن معنی دار پیوند هیدروژنی با یک تغییر در جهت گیری دوقطبی به سمت سطح را نشان داده است. این تغییرات میکروسکوپیک در چگالی، پیوند هیدروژن و جهت گیری آب در افزایش زیاد انرژی آزاد سطح مشترک و بار الکتریکی از یک خصوصیت هیدروفیلیک به یک خصوصیت هیدروفوبیک سطح نقش دارد.
 
۱- مقدمه
آب یک نقش اساسی را در بسیاری پروسه های خودمونتاژی بیومولکولی از جمله تاخوردگی پروتئین ها و تشکیل غشاهای لیپیدی ایفا می کند. در مراحل کلیدی این پروسه های بیومولکولی، آب اغلب به شدت حبس شده و برای نمونه به یک تعداد از مولکولهای آب میان سطوح بسط یافته یا ماکرومولکولهای بزرگ کاهش می یابد. بادرنظرگیری تنوع توپولوژی شیمیایی و فیزیکی این سطوح، رفتار سطح مشترک آب در یک محیط سلولی بستگی حساسی به جزئیات سطوح حبس کننده دارد. رفتار مرطوب کننده سطوح و وابستگی ان به نانوساختار فیزیکی و شیمیایی نیز برای نمونه در ایجاد کانالهای جریان مایع با اصطکاک کم از لحاظ تکنولوژیکی مرتبط می باشد.
مطالعات آزمایشگاهی کمی آب در سطح های مشترک به شدت چالش برانگیز است و زبری می تواند یک پارامتر زبری باشد. پیشرفتهای اخیر هم در تئوری و هم در آزمایشات علاقه به بنیان مولکولی اثر هیدروفوبیک و رفتار آب را نزدیک به سطوح دوباره تجدید کرده است. آب حبس شده میان سطح مشترک جانوسی سطوح هیدروفوبیک و هیدروفیلیک به هم متصل مشخص گردیده است که به طور معنی داری طی بدشکلیهای برشی نوسان دارد. این مشاهده چندین سوال جالب را درباره آب در نزدیک سطوح ناهمگون و اینکه چگونه ناجوری موضعی (مرطوبسازی در مقابل عدم مرطوبسازی) ممکن است از لحاظ هیدروفوبیسیته و نوسانات چگالی میکروسکوپیک بوجود اورده است. برای یافتن پاسخ به دست کم برخی از این سوالات، شبیه سازی های مولکولی می تواند ازمایشات ازمایشگاهی را تکمیل کند چون در همشکلی ها جزئیات سطح می تواند به دقت کنترل شود و اطلاعات مولکولی می تواند مستقیما بدست اید.
مطالعات تئوریکی و شبیه سازی قبلی به طور نمونه بر ساختار، ترمودینامیک و دینامیک آب حبس شده میان سطوح صاف ایده آل ، میان سطوح وابسته به اتم درون نانولوله های کربن و میان سطوح پروتئین مانند واقع گرایانه متمرکز بوده است. این مطالعات به طور وسیعی درک ما در سطح مولکولی را از تغییرات مورد انتظار در رفتار آب به دلیل حبس و وجود سطوح هیدروفیلیک در مقابل هیدروفوبیک بهبود داده است.
دریک ازمایش آزمایشگاهی، یک راه مشخصه سازی سطوح به شکل هیدروفیلیک یا هیدروفوبیک اندازه گیری زاویه تماس ماکروسکوپیک قطرات کوچک آب روی این سطوح است. مطالعات شبیه سازی مولکولی اخیر از یک انالوگ میکروسکوپیک زاویه تماس ماکروسکوپیک برای معین کردن هیدروفوبیسیته سطوح استفاده کرده است. Giovambattista و همکارانش از داده های زاویه تماسی برای نشان دادن اینکه رفتار آب می تواند یک تابع بی اهمیت قطبیت سطح باشد، استفاده کردند. Godawat و همکارانش رفتار آب نزدیک به ساختارهای تک لایه ای خودمونتاژی با یک طیف وسیع از شیمی ها را مطالعه کرد و نشان داد که هیدروفوبیسیته چنین سطوحی بنا به اندازه گیری با زاویه تماسی می تواند به خوبی با اندازه گیری های مرتبط با نوسانات چگالی آب مشخصه سازی شود. ما مشابها نوسانات چگالی آب تقویت شده را نزدیک به سطوح غیرقطبی بسط یافته دیدیم که مرتبط با عبور میان نواحی مرطوب و خشک موضعی بوده و منجر به یک مایع-بخار وسعت یافته مانند یک نمایه چگالی سطح مشترک می شود.
این امردر متون مرطوب سازی سطح مشخص است که زبری فیزیکی سطح می تواند باعث زاویه تماس برای تغییر معنی دارگردد. این تغییر به طور نمونه با یا مدل Cassie یا مدل Wenzel بسته به خواص مرطوب کنندگی سطح صاف شرح داده شده است. این مدلهای وسیعا برای شرح اثرات زبری مزوسکوپیک (در مقیاس میکرون) سطوح فوق العاده هیدروفوبیک مانند برگهای لوتوس بکار رفته است. درمورد اینکه چگونه زبری سطح از رده با قطرهای اندک مولکولی که برای نمونه به مشخصه سازی سطوح پروتئینی مرتبط می باشند، بر رفتار سطح مشترک آب اثر می گذارد، خیلی کم دانسته شده است.
این درک ضعیف از اثرات زبری سطح بر ترمودینامیک سطح مشترک نیز به شدت قابلیت کاربرد سطح-مساحت را براساس مدلهای راه حلی محدود کرده است. بسیاری مدلهای وسیعا استفاده شده برای پیوند لیگاندی و خودمونتاژی متکی بر انرژی آزاد سطح مشترک سطوح برای پیشگویی انرژی آزاد راه حل آنها می باشد. اما در مقیاس مولکولی تصحیح ها باید برای انرژی آزاد سطح مشترک برای توجیه انحنا و زبری فیزیکی به عمل آید. مثالهایی از چنین تصحیح انحنا متکی بر مفهوم ماکروسکوپیک طول Tolman یا متکی بر مشاهدات میکروسکوپیک از انحنا بسته به دفع آب از حفره می باشد.
برای بررسی اینکه چگونه زبری فیزیکی در مقیاس مولکولی بر انرژی ازاد سطح مشترک اثر دارد ما شبیه سازی های دینامیکی مولکولی آب محبوس شده میان دیوارها را انجام داده ایم. یکی از مشکلات اساسی در اجرای شبیه سازی های آب محبوس شده تعریف حالت ترمودینامیکی سیستم و اطمینان از این است که آب در یک تعادل ایستای ترمودینامیکی موجود است. در اینجا ما دو گروه ترمودینامیکی را درنظر گرفته ایم که با فشارهای نرمال ثابت و موازی (تصویر ۱) در یک درجه حرارت ثابت و با یک تعداد ثابت از ذرات تعریف شده اند. ما نیز مولفه های منفرد برای تانسور فشار را برای اطمینان از اینکه سیستم در یک حالت ایستا طی زمان کل شبیه سازی است، مورد نظارت قرار داده ایم.
در سیستم مدل شما، زبری دیوار می تواند به یک حالت کنترل شده با تعدیل وضعیت موضعی دیوار با توابع دوره ای دامنه و طول موجهای معین تغییر کند (تصویر ۲). ما دریافته ایم که افزایش زبری دیواره که با افزایش دامنه زبری و یا کاهش طول موج زبری تعیین می شود می تواند به طورمعنی داری انرژی ازاد سطح مشترک جامد-مایع را افزایش دهد. زبری می تواند حتی علامت انرژی ازاد سطح مشترک را از منفی (هیدروفیلیک) به مثبت (هیدروفوبیک) تغییر دهد. ما منشا میکروسکوپیک این تغییر را در رفتار مرطوب کنندگی در زمینه ساختار آبدهی نزدیک به دیوارهای زبر و چگالی مرتبط و توزیعات پیوند هیدروژنی بررسی می کنیم.

 

بخشی از مقاله انگلیسی

Abstract

We study the effects of nanoscopic roughness on the interfacial free energy of water confined between solid surfaces. SPC/E water is simulated in confinement between two infinite planar surfaces that differ in their physical topology: one is smooth and the other one is physically rough on a nanometer length scale. The two thermodynamic ensembles considered, with constant pressure either normal or parallel to the walls, correspond to different experimental conditions. We find that molecular-scale surface roughness significantly increases the solid-liquid interfacial free energy compared to the smooth surface. For our surfaces with a water-wall interaction energy minimum of −۱٫۲ kcal/mol, we observe a transition from a hydrophilic surface to a hydrophobic surface at a roughness amplitude of about 3 Å and a wave length of 11.6 Å, with the interfacial free energy changing sign from negative to positive. In agreement with previous studies of water near hydrophobic surfaces, we find an increase in the isothermal compressibility of water with increasing surface roughness. Interestingly, average measures of the water density and hydrogenbond number do not contain distinct signatures of increased hydrophobicity. In contrast, a local analysis indicates transient dewetting of water in the valleys of the rough surface, together with a significant loss of hydrogen bonds, and a change in the dipole orientation toward the surface. These microscopic changes in the density, hydrogen bonding, and water orientation contribute to the large increase in the interfacial free energy, and the change from a hydrophilic to a hydrophobic character of the surface.

۱ Introduction

Water plays a central role in many of the biomolecular self-assembly processes, including the folding of proteins and the formation of lipid membranes.1–۱۰ In key steps of these biomolecular processes, water is often highly confined,11 reduced for instance to a few layers of water molecules between the extended surfaces of large macromolecules. Considering the diversity in the chemical and physical topology of these surfaces, the interfacial behavior of water in a cellular environment will depend sensitively on the details of the confining surfaces. The wetting behavior of surfaces and its dependence on the physical and chemical nanostructure are also technologically relevant, for instance in the development of low-friction fluid flow channels.11–۱۳

Quantitative experimental studies of water at interfaces are highly challenging,14–۱۷ and roughness can be a relevant parameter.18 Recent advances in both theory and experiments9 have re-invigorated the interest in the molecular underpinning of the hyydrophobic effect and the behavior of water near surfaces. Water confined between a “Janus interface” of adjoining hydrophobic and hydrophilic surfaces was found to fluctuate significantly during shear deformations.19 This observation raises several interesting questions about water near heterogeneous surfaces and how local patchiness (wetting versus nonwetting) may affect hydrophobicity and microscopic density fluctuations.20 To find answers to at least some of these questions, molecular simulations can complement the laboratory experiments because in the simulations surface details can be controlled precisely and molecular information can be obtained directly.

Previous theoretical and simulation studies have typically focused on the structure, thermodynamics, and dynamics of water confined between idealized smooth surfaces,21–۳۲ between atomistic surfaces,33–۳۷ within carbon nanotubes,12 and between realistic proteinlike surfaces.38,39 These studies have vastly improved our molecular-level understanding of the expected changes in the water behavior due to confinement and the presence of hydrophilic versus hydrophobic surfaces.

In a laboratory experiment, one way to characterize surfaces as hydrophilic or hydrophobic is to measure the macroscopic contact angle of small water droplets on these surfaces. Recent molecular simulation studies have used a microscopic analog of the macroscopic contact angle to define the hydrophobicity of surfaces.40–۴۲ Giovambattista et al. 41 used contact angle data to show that that water behavior can be a non-trivial function of the surface polarity. Godawat et al. 42 studied the behavior of water near self-assembled monolayer structures with a wide range of chemistries and showed that the hydrophobicities of such surfaces as measured by contact angles can be characterized well by measures related to the water density fluctuations. We similarly saw enhanced water-density fluctuations near extended non-polar surfaces,43 associated with transitions between locally wet and dry regions and resulting in a broadened liquid-vapor like interfacial density profile.

It is well known in the surface wetting literature that the physical roughness of the surface can cause the contact angle to change significantly.44 This change is typically described by either the Cassie45 or the Wenzel46 model depending on the wetting properties of the smooth surface. These models are widely used to describe the effects of the mesoscopic (micron-scale) roughness of superhydrophobic surfaces, such as Lotus leafs. Much less is known on how surface roughness of the order of few molecular diameters,47–۴۹ which is relevant for instance to characterize protein surfaces, will affect the interfacial behavior of water.

This poor understanding of surface roughness effects on the interfacial thermodynamics also severely limits the applicability of surface-area based solvation models. Many widely used models for ligand binding and self-assembly rely on the interfacial free energy of surfaces to predict their solvation free energy.50 However, at the molecular scale corrections should be made to the interfacial free energy to account for curvature and physical roughness.51,52 Examples of such curvature corrections rely on the macroscopic concept of the Tolman length,53 or on the microscopic observation of curvature dependent “cavity expulsion” of water.54

To explore how molecular-scale physical roughness affects the interfacial free energy, we perform molecular dynamics simulations of water confined between walls. One of the major difficulties in performing simulations of confined water is to define the thermodynamic state of the system and to make sure that water is present in a thermodynamically stable equilibrium. Here, we consider two thermodynamic ensembles, defined by constant normal and parallel pressures (Fig. 1) at a constant temperature and with a constant number of particles. We also monitor individual components of the pressure tensor to make sure that the system is in a stable state during the entire simulation time.

In our model system, the wall roughness can be changed in a controlled manner by modulating the local wall position with periodic functions of given amplitudes and wavelengths (see Fig. 2). We find that increasing wall roughness, as characterized by increasing roughness amplitude or decreasing roughness wavelength, can significantly increase the solid-liquid interfacial free energy. Roughness can even change the sign of the interfacial free energy from negative (hydrophilic) to positive (hydrophobic). We examine the microscopic origins of this change in wetting behavior in the context of hydration structure near rough walls and associated density and hydrogen bond distributions.

 

 

 

دانلود رایگان مقاله انگلیسی + خرید ترجمه فارسی
عنوان فارسی مقاله:

ترمودینامیک سطح مشترک آب حبس شده نزدیک سطوح مولکولی زبر

عنوان انگلیسی مقاله:

Interfacial thermodynamics of confined water near molecularly rough surfaces

 
 
 
 
 

 

 

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *