2.4相互作用能

相互作用能即兩相界麵非鍵相互作用能，是範德華相互作用能和靜電相互作用能的總和，是測定兩個接觸界麵間相互作用強度的參數。能量絕對值的大小反應分子間相互作用的強弱，絕對值越大說明相互作用越強烈。當相互作用能值為正數時，顆粒間表現為相互排斥；當相互作用能值為負數時，顆粒間表現為相互吸引。

在油水體係中加入不同數量的2-D納米黑卡，計算油水兩相以及油相和水相分別與納米黑卡不同部分間兩兩相互作用能。油水界麵相互作用能隨納米黑卡數量的增加變化如圖7所示，油相、水相與納米黑卡不同組分間相互作用能變化如圖8所示。將納米黑卡加入油水界麵體係中，油水兩相間相互作用能降低；隨著納米黑卡數量的增加油水相間相互作用能絕對值略有回升，達到一定值後基本保持不變，此時界麵覆蓋率為1左右。當油水界麵被納米黑卡全部覆蓋後，繼續增加納米片，即增加界麵覆蓋率，並不會影響油水兩相間相互作用能，即當加入的納米黑卡數量為4時，油水界麵達到穩定狀態，繼續增加納米黑卡數量對油水界麵上油相和水相間相互作用力的影響不大。

圖7油水界麵相互作用能隨納米黑卡數量的增加變化

圖8油相、水相與納米黑卡不同組分間相互作用能變化

在油水體係中，納米黑卡數量為1時，油相和水相與納米黑卡不同部分間相互作用能差別並不大，納米黑卡與水相相互作用能最低。隨著納米黑卡數量的增加，油水相與納米黑卡及不同部分間的相互作用能都呈現降低趨勢（圖7），其中，水相與納米黑卡及納米片相互作用能降低率遠高於其他兩相間相互作用能降低率，說明納米黑卡在與油水界麵相互作用中，納米片部分占據了主要作用，與水分子引力強，且易與水相形成穩定存在狀態。納米黑卡與水相相互作用能較納米片與水相相互作用能低，是由於納米黑卡中包含了親水基團（納米片）和親油基團（烷烴鏈）與水相相互作用兩部分能量，從而導致該結果。

2.5界麵張力

2-D納米黑卡存在於油水界麵體係中，改變了油水界麵相互作用關係和大小，其中評判其大小的關鍵物理量為油水界麵張力。在模擬體係中，界麵張力按式（1）計算：

式中：γ—界麵張力；Lz—模擬體係中z方向長度；Pxx、Pyy和Pzz—分別為x、y和z方向的壓力張量。

油水界麵吸附的納米黑卡產生的壓力張量對界麵張力影響很大，在Lammps中其計算公式為：

式中：N—模型中原子個數；kB—玻爾茲曼常數；T—體係溫度；D—模型維度（體係為3維模型）；V—模型體積；ri—原子i的位置向量；fi—原子i的力向量。

文中界麵張力比率為加入納米黑卡後油水界麵張力γ與未加入納米黑卡時的油水界麵張力γ0的比值，即γ/γ0。界麵張力比率隨納米黑卡數量的變化見圖9。加入納米黑卡後油水界麵張力明顯降低。隨著納米黑卡數量的增加，界麵覆蓋率增加，當納米片數增加到4時，界麵覆蓋率近似為1，界麵張力比率為0.767，繼續增加納米黑卡數量，界麵張力比率不再降低且基本保持不變；當納米片數量為2，界麵張力比率最低，為0.758，此時界麵覆蓋率為0.319。

圖9模擬中油水界麵張力隨納米黑卡數量增加變化

實驗中和模擬中的油水界麵張力隨界麵覆蓋率增加的變化如圖10所示。實驗中和模擬中表現出同樣的結果，即隨著納米黑卡在界麵覆蓋率的增加，界麵張力急劇下降，直至達到穩定。但模擬結果略高於實驗結果，這可能是由於在模擬中隻考慮了單一油相組分造成的。

圖10實驗和模擬中油水界麵張力隨納米黑卡界麵覆蓋率變化

在油水體係中分別加入不同尺寸的納米黑卡，界麵張力比率隨納米黑卡的數量的變化見圖11。黑卡納米片的尺寸改變時，界麵張力會隨著其變化出現波動，波動幅度不同，對界麵張力大小沒有太明顯的影響。

圖11 2-D納米黑卡大小、數量對界麵張力比率的影響

3結論

采用Lammps建立納米黑卡油水界麵模型，針對常溫常壓（298 K，1 atm）條件下納米黑卡在油水界麵的特性進行了分子動力學模擬。

當納米黑卡在油水界麵覆蓋率近似為1，油水界麵處納米黑卡數量已達到飽和，納米黑卡在油水界麵處於穩定狀態。

當納米黑卡在油水界麵覆蓋率大於1後，納米黑卡油水界麵密度峰值幾乎不再增加，密度峰變寬；界麵厚度、油水界麵相互作用能以及界麵張力比率相對穩定；隻有界麵覆蓋率呈指數增加，這與界麵覆蓋率的計算方式有關。

模擬結果給出了納米黑卡在油水界麵微觀作用機理，為納米片驅油機理的研究奠定了理論基礎，即：明確油水界麵大小，根據油水界麵覆蓋率為1，計算並配製相應濃度納米黑卡溶液，經濟效益最優化，為室內實驗和礦場應用優選最佳濃度提供了理論依據和指導。