Large scale molecular dynamics simulation of self-assembly processes in short and long chain cationic surfactants

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DOI 10.1039/A905216J
インパクトファクター 3.676
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要旨

We report on an investigation of the structural and dynamical properties of n-nonyltrimethylammonium chloride (C9TAC) and erucyl bis[2-hydroxyethyl]methylammonium chloride (EMAC) micelles in aqueous solution. A fully atomistic description was used, and the time evolution was computed using molecular dynamics. The calculations were performed in collaboration with Silicon Graphics Inc. using the large-scale atomic/molecular massively parallel simulator (LAMMPS) code (version 5.0, CRADA Collaboration, Sandia National Laboratory, USA, 1997) on a range of massively parallel platforms. Simulations were carried out in the isothermal–isobaric (N, P, T) ensemble, and run for up to 3 ns. Simulated systems contained approximately 50 surfactant cations and chloride counterions, surrounded by 3000 water molecules. Starting from different initial configurations (spherical micelle, wormlike micelle) in the case of the C9TAC molecule, we observe shape transformations on the timescale of nanoseconds, micelle fragmentations, and surfactant–monomer exchange with the surrounding medium. Starting from a random distribution of surfactant molecules in the solution, we observe the mechanism of micelle formation at the molecular level. The mechanism of self-assembly or fragmentation of a micelle is interpreted in terms of generalised classical nucleation theory. Our results indicate that, when these systems are far from equilibrium and at high surfactant concentration, the basic aggregation–fragmentation mechanism is of Smoluchowski type (cluster–cluster coalescence and break up); closer to equilibrium and at lower surfactant concentration, this mechanism appears to follow a Becker–Döring process (stepwise addition or removal of surfactant monomers). In the case of the EMAC molecule, we have characterised two different structures (spherical and cylindrical) of the micelle, and have found that water penetration is not important. We have also studied the effect of the introduction of co-surfactant (salicylate) molecules to the EMAC system; hydrogen bonds between surfactant head groups and co-surfactant molecules were observed to play an important role in stabilising wormlike micelles.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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