概 述
通过表面活性剂的性质预测改进清洁剂
工业应用
家庭及个人护理，精细化工品
挑战
预测表面活性剂胶束的生成及其结构变化
筛选最佳的表面活性剂
模拟工作
将所关注体系转化为介观模型
进行合理时长尺度的模拟
通过模拟轨迹的分析观察相行为及胶束的生成
模拟结果
模拟显示了离子型及非离子型表面活性剂对脱除纤维素表面污垢的影响。观察发现对于离子型表面活性剂，油从体系表面的一侧扩散至另一侧，而对于非离子型表面活性剂观察到胶束生成并停留在表面。
分 类
工业应用
家庭及个人护理
制药及农用化学品
精细化学品
软件
Classical
LAMMPS DPD
Engineering
MAPS
性质
临界胶束浓度
扩散系数
形态
应用
除垢
表面活性剂
表面活性剂是清洁产品的重要配方，其主要市场面向个人及家庭护理工业。除此之外，表面活性剂还作为乳化剂应用于食品工业、作为增溶剂应用于生物化工、以及聚合物工业的压力测试、润滑油添加剂、消防等众多领域。仅液体清洁剂市场在接下来几年内的市值就将达到4千万美元。面对日益增长的对环境友好产品的需求，清洁剂市场则需开发出符合相应需求的产品。
挑战
表面活性剂分子由极性端及非极性端构成，也即双亲结构，能够在水性溶液中自发团聚形成胶束、双层及囊泡结构的关联结构。确定胶束的相及结构转化对预测表面活性剂的清洗及洁净机制极为重要。测量胶束的相行为及不同胶束结构的表征难度大且耗时。要寻找天然且环境友好、具有相同或更高性能的替代品，可将分子模拟作为产品开发的一种且行之有效手段。
模拟工作
为研究介观结构的行为，利用MAPS/LAMMPS DPD模块进行了非平衡耗散粒子动力学（DPD）模拟。该方法能够在合理的时间尺度下对该类行为进行模拟。在本研究案例中，我们对两种不同的表面活性剂的效果进行了比较，分别为离子型的十二烷基磺酸钠（SDS）表面活性剂和非离子型的椰油酰胺表面活性剂。两种活性剂在清洁剂配方中都具有广泛应用，因此我们对其去除纤维素表面油膜的效果进行了模拟。
Figure 1：代表表面活性剂的原子模型：上图：十二万吉磺酸钠，
下图：月桂酰胺二乙醇胺（椰油酰胺的主要成分）
模拟结果
对纤维素表面油层上表面活性剂的作用进行了研究。为实现这一目的，构建了合理的的介观尺度模型。对1个离子型及1个非离子型表面活性剂的相行为及胶束的生成进行了模拟。模拟结果显示离子型SDS表面活性剂的油/表面活性剂胶束能够扩散于体系中，而非离子型椰油酰胺表面活性剂胶束停留在纤维素表面因此不适于用作洗衣粉的配方。
本研究展示的虚拟实验是考察胶束生成及相行为一类现象的理想手段。此外，类似的研究方法还可被用于药物的输送及释放领域。通过模拟可为产品的高效开发提供支持，并降低实验成本。
Figure 2：平衡后的DPD轨迹截图。左图：十二万吉磺酸钠，右图：椰油酰胺。
颜色代表：纤维素——紫色，油——蓝色，表面活性剂——红色及绿色
MAPS 材料及化工过程设计平台是一款多尺度、可扩展的平台；可应用于从量子化学计算到中尺度计算。MAPS适合描述含能材料、离子液体、高分子材料、合金材料、复合材料、电池材料等性质。MAPS平台的功能:（一）建模功能（二）分析功能。
LAMMPS-DPD：耗散粒子动力学计算模块，是流体或软物质性质研究的耗散粒子动力学模拟工具， 在介观尺度（更大空间及时间尺度）上模拟。DPD采用粗粒子模型，能很好的描述流体力学。DPD允许发生两个粒子的位置重叠的特点适用于流体。LAMMPS-DPD 广泛应用于涂料、 化妆品、表面活性剂、橡胶、胶体、聚合物和高分子材料的结构、热力学、聚集形态和渗透性等性质的预测。MAPS-LAMMPS-DPD 在药物缓释研究有很好的应用。
