Kiitos käynnistäsi nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään uusinta selainversiota (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi tämä sivusto ei sisällä tyylejä tai JavaScriptiä.
Runsaiden natriumvarojen ansiosta natriumioniakut (NIB) edustavat lupaavaa vaihtoehtoista ratkaisua sähkökemialliseen energian varastointiin. Tällä hetkellä NIB-teknologian kehityksen suurin este on sellaisten elektrodimateriaalien puute, jotka voivat varastoida/vapauttaa natriumioneja palautuvasti pitkäksi aikaa. Siksi tämän tutkimuksen tavoitteena on teoreettisesti tutkia glyserolin lisäyksen vaikutusta polyvinyylialkoholiin (PVA) ja natriumalginaattiin (NaAlg) perustuviin sekoituksiin NIB-elektrodimateriaaleina. Tämä tutkimus keskittyy PVA-, natriumalginaatti- ja glyserolisekoituksiin perustuvien polymeerielektrolyyttien elektronisiin, termisiin ja kvantitatiivisiin rakenne-aktiivisuussuhteisiin (QSAR) kuvaaviin tekijöihin. Näitä ominaisuuksia tutkitaan käyttämällä semiempiirisiä menetelmiä ja tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT). Koska rakenneanalyysi paljasti PVA/alginaatin ja glyserolin välisten vuorovaikutusten yksityiskohdat, tutkittiin energiavälin energiaa (Eg). Tulokset osoittavat, että glyserolin lisäys johtaa Eg-arvon laskuun 0,2814 eV:iin. Molekyylin sähköstaattinen potentiaalipinta (MESP) näyttää elektronirikasten ja elektroniköyhien alueiden ja molekyylivarausten jakautumisen koko elektrolyyttijärjestelmässä. Tutkittuja lämpöparametreja ovat entalpia (H), entropia (ΔS), lämpökapasiteetti (Cp), Gibbsin vapaa energia (G) ja muodostumislämpö. Lisäksi tässä tutkimuksessa tutkittiin useita kvantitatiivisia rakenne-aktiivisuussuhteita (QSAR) kuvaavia tekijöitä, kuten kokonaisdipolimomentti (TDM), kokonaisenergia (E), ionisaatiopotentiaali (IP), log P ja polarisoituvuus. Tulokset osoittivat, että H, ΔS, Cp, G ja TDM kasvoivat lämpötilan ja glyserolipitoisuuden noustessa. Samalla muodostumislämpö, ​​IP ja E laskivat, mikä paransi reaktiivisuutta ja polarisoituvuutta. Lisäksi glyserolin lisääminen nosti kennojännitettä 2,488 V:iin. Kustannustehokkaisiin PVA/Na Alg -glyserolipohjaisiin elektrolyytteihin perustuvat DFT- ja PM6-laskelmat osoittavat, että ne voivat osittain korvata litiumioniakkuja monitoiminnallisuutensa ansiosta, mutta lisäparannuksia ja -tutkimusta tarvitaan.
Vaikka litiumioniakkuja (LIB) käytetään laajalti, niiden sovelluksissa on monia rajoituksia lyhyen syklin käyttöiän, korkeiden kustannusten ja turvallisuusongelmien vuoksi. Natriumioniakuista (SIB) voi tulla käyttökelpoinen vaihtoehto LIB-akuille niiden laajan saatavuuden, alhaisten kustannusten ja natriumin myrkyttömyysominaisuuksien ansiosta. Natriumioniakuista (SIB) on tulossa yhä tärkeämpi energian varastointijärjestelmä sähkökemiallisissa laitteissa1. Natriumioniakut ovat erittäin riippuvaisia ​​elektrolyyteistä ionien kuljetuksen helpottamiseksi ja sähkövirran tuottamiseksi2,3. Nestemäiset elektrolyytit koostuvat pääasiassa metallisuoloista ja orgaanisista liuottimista. Käytännön sovellukset edellyttävät nestemäisten elektrolyyttien turvallisuuden huolellista harkintaa, erityisesti silloin, kun akkuun kohdistuu lämpö- tai sähkörasitusta4.
Natriumioniakkujen (SIB) odotetaan korvaavan litiumioniakut lähitulevaisuudessa runsaiden valtamerivarantojensa, myrkyttömyytensä ja alhaisten materiaalikustannustensa ansiosta. Nanomateriaalien synteesi on nopeuttanut tiedontallennuksen, elektronisten ja optisten laitteiden kehitystä. Laaja kirjallisuus on osoittanut erilaisten nanorakenteiden (esim. metallioksidien, grafeenin, nanoputkien ja fullereenien) soveltamisen natriumioniakuissa. Tutkimus on keskittynyt anodimateriaalien, mukaan lukien polymeerien, kehittämiseen natriumioniakkuja varten niiden monipuolisuuden ja ympäristöystävällisyyden vuoksi. Tutkimuskiinnostuksen kohteena olevat ladattavat polymeeriakut epäilemättä kasvavat. Uudet polymeerielektrodimateriaalit, joilla on ainutlaatuiset rakenteet ja ominaisuudet, todennäköisesti tasoittavat tietä ympäristöystävällisille energian varastointiteknologioille. Vaikka erilaisia ​​polymeerielektrodimateriaaleja on tutkittu käytettäväksi natriumioniakuissa, tämä ala on vielä kehityksen alkuvaiheessa. Natriumioniakkujen osalta on tutkittava lisää polymeerimateriaaleja, joilla on erilaiset rakenteelliset kokoonpanot. Nykyisen tietämyksemme perusteella natriumionien varastointimekanismista polymeerielektrodimateriaaleissa voidaan olettaa, että konjugoidun järjestelmän karbonyyliryhmät, vapaat radikaalit ja heteroatomit voivat toimia aktiivisina kohtina vuorovaikutuksessa natriumionien kanssa. Siksi on ratkaisevan tärkeää kehittää uusia polymeerejä, joilla on suuri näiden aktiivisten kohtien tiheys. Geelipolymeerielektrolyytti (GPE) on vaihtoehtoinen teknologia, joka parantaa akun luotettavuutta, ionien johtavuutta, vuotojen estävyyttä, suurta joustavuutta ja hyvää suorituskykyä12.
Polymeerimatriiseihin kuuluvat esimerkiksi PVA ja polyetyleenioksidi (PEO)13. Geelin läpäisevä polymeeri (GPE) immobilisoi nestemäisen elektrolyytin polymeerimatriisiin, mikä vähentää vuotoriskiä verrattuna kaupallisiin erottimiin14. PVA on synteettinen biohajoava polymeeri. Sillä on korkea permittiivisyys, se on edullinen ja myrkytön. Materiaali tunnetaan kalvonmuodostusominaisuuksistaan, kemiallisesta stabiilisuudestaan ​​ja tarttuvuudestaan. Siinä on myös funktionaalisia (OH) ryhmiä ja korkea silloittumispotentiaalitiheys15,16,17. Polymeerien seostamista, pehmittimien lisäämistä, komposiittien lisäämistä ja in situ -polymerointitekniikoita on käytetty PVA-pohjaisten polymeerielektrolyyttien johtavuuden parantamiseksi matriisin kiteisyyden vähentämiseksi ja ketjun joustavuuden lisäämiseksi18,19,20.
Sekoittaminen on tärkeä menetelmä polymeerimateriaalien kehittämisessä teollisiin sovelluksiin. Polymeeriseoksia käytetään usein: (1) parantamaan luonnonpolymeerien prosessointiominaisuuksia teollisissa sovelluksissa; (2) parantamaan biohajoavien materiaalien kemiallisia, fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia; ja (3) sopeutumaan nopeasti muuttuvaan uusien materiaalien kysyntään elintarvikepakkausteollisuudessa. Toisin kuin kopolymerointi, polymeerien sekoittaminen on edullinen prosessi, jossa käytetään yksinkertaisia ​​fysikaalisia prosesseja monimutkaisten kemiallisten prosessien sijaan haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi21. Homopolymeerien muodostamiseksi eri polymeerit voivat olla vuorovaikutuksessa dipoli-dipolivoimien, vetysidosten tai varauksensiirtokompleksien kautta22,23. Luonnollisista ja synteettisistä polymeereistä valmistetut sekoitukset voivat yhdistää hyvän bioyhteensopivuuden erinomaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin, mikä luo erinomaisen materiaalin alhaisilla tuotantokustannuksilla24,25. Siksi on ollut suurta kiinnostusta luoda biorelevantteja polymeerimateriaaleja sekoittamalla synteettisiä ja luonnonpolymeerejä. PVA:ta voidaan yhdistää natriumalginaattiin (NaAlg), selluloosaan, kitosaaniin ja tärkkelykseen26.
Natriumalginaatti on luonnollinen polymeeri ja anioninen polysakkaridi, jota uutetaan merilevästä. Natriumalginaatti koostuu β-(1-4)-sidoksella sitoutuneesta D-mannuronihaposta (M) ja α-(1-4)-sidoksella sitoutuneesta L-guluronihaposta (G), jotka ovat järjestäytyneet homopolymeerisiksi muodoiksi (poly-M ja poly-G) ja heteropolymeerisiksi lohkoiksi (MG tai GM)27. M- ja G-lohkojen pitoisuudella ja suhteellisella suhteella on merkittävä vaikutus alginaatin kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin28,29. Natriumalginaattia käytetään ja tutkitaan laajalti sen biohajoavuuden, bioyhteensopivuuden, alhaisten kustannusten, hyvien kalvonmuodostusominaisuuksien ja myrkyttömyysominaisuuksien vuoksi. Alginaattiketjun suuri määrä vapaita hydroksyyli- (OH) ja karboksylaatti- (COO) -ryhmiä tekee alginaatista kuitenkin erittäin hydrofiilisen. Alginaatilla on kuitenkin heikot mekaaniset ominaisuudet sen haurauden ja jäykkyyden vuoksi. Siksi alginaattia voidaan yhdistää muihin synteettisiin materiaaleihin vedenkestävyyden ja mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi30,31.
Ennen uusien elektrodimateriaalien suunnittelua DFT-laskelmia käytetään usein uusien materiaalien valmistuskelpoisuuden arvioimiseen. Lisäksi tutkijat käyttävät molekyylimallinnusta kokeellisten tulosten vahvistamiseen ja ennustamiseen, ajan säästämiseen, kemikaalijätteen vähentämiseen ja vuorovaikutuskäyttäytymisen ennustamiseen32. Molekyylimallinnuksesta on tullut tehokas ja tärkeä tieteenala monilla aloilla, mukaan lukien materiaalitiede, nanomateriaalit, laskennallinen kemia ja lääkekehitys33,34. Mallinnusohjelmien avulla tutkijat voivat saada suoraan molekyylidataa, mukaan lukien energia (muodostumislämpö, ​​ionisaatiopotentiaali, aktivaatioenergia jne.) ja geometria (sidoskulmat, sidospituudet ja torsiokulmat)35. Lisäksi voidaan laskea elektroniset ominaisuudet (varaus, HOMO- ja LUMO-energiaväli, elektronien affiniteetti), spektriominaisuudet (ominaisvärähtelymoodit ja -intensiteetit, kuten FTIR-spektrit) ja bulkkiominaisuudet (tilavuus, diffuusio, viskositeetti, moduuli jne.)36.
LiNiPO4:lla on potentiaalisia etuja kilpaillessaan litiumioniakkujen positiivisten elektrodimateriaalien kanssa korkean energiatiheytensä ansiosta (käyttöjännite noin 5,1 V). LiNiPO4:n edun hyödyntämiseksi täysimääräisesti korkeajännitealueella käyttöjännitettä on laskettava, koska nykyisin kehitetty korkeajänniteelektrolyytti pysyy suhteellisen vakaana vain alle 4,8 V:n jännitteillä. Zhang ym. tutkivat kaikkien 3d-, 4d- ja 5d-siirtymämetallien seostusta LiNiPO4:n Ni-paikalla, valitsivat seostuskuviot, joilla oli erinomainen sähkökemiallinen suorituskyky, ja säätivät LiNiPO4:n käyttöjännitettä säilyttäen samalla sen sähkökemiallisen suorituskyvyn suhteellisen vakauden. Heidän saavuttamansa pienimmät käyttöjännitteet olivat 4,21, 3,76 ja 3,5037 Ti:lle, Nb:lle ja Ta-seostetulle LiNiPO4:lle.
Tämän tutkimuksen tavoitteena on teoreettisesti tutkia glyserolin vaikutusta pehmittiminä PVA/NaAlg-järjestelmän elektronisiin ominaisuuksiin, QSAR-kuvauksiin ja lämpöominaisuuksiin kvanttimekaanisten laskelmien avulla sen soveltamiseksi ladattavissa ioniakuissa. PVA/NaAlg-mallin ja glyserolin välisiä molekyylivuorovaikutuksia analysoitiin käyttämällä Baderin kvanttiatomiteoriaa (QTAIM).
PVA:n, NaAlg:n ja sitten glyserolin välistä vuorovaikutusta kuvaava molekyylimalli optimoitiin DFT:llä. Malli laskettiin Gaussian 0938 -ohjelmistolla spektroskopiaosastolla, National Research Centerissä, Kairossa, Egyptissä. Mallit optimoitiin DFT:llä B3LYP/6-311G(d, p) -tasolla39,40,41,42. Tutkittujen mallien välisen vuorovaikutuksen varmistamiseksi samalla teorian tasolla tehdyt taajuustutkimukset osoittavat optimoidun geometrian vakauden. Negatiivisten taajuuksien puuttuminen kaikkien arvioitujen taajuuksien joukossa korostaa pääteltyä rakennetta potentiaalienergian pinnan todellisissa positiivisissa minimeissä. Fysikaaliset parametrit, kuten TDM, HOMO/LUMO-energiavälin energia ja MESP, laskettiin samalla kvanttimekaanisella teorian tasolla. Lisäksi jotkin lämpöparametrit, kuten lopullinen muodostumislämpö, ​​vapaa energia, entropia, entalpia ja lämpökapasiteetti, laskettiin taulukossa 1 esitettyjen kaavojen avulla. Tutkituille malleille tehtiin molekyylien atomien kvanttiteorian (QTAIM) analyysi tutkittujen rakenteiden pinnalla tapahtuvien vuorovaikutusten tunnistamiseksi. Nämä laskelmat suoritettiin käyttämällä Gaussian 09 -ohjelmistokoodin ”output=wfn”-komentoa ja visualisoitiin sitten Avogadro-ohjelmistokoodilla43.
Jossa E on sisäinen energia, P on paine, V on tilavuus, Q on lämmönvaihto järjestelmän ja sen ympäristön välillä, T on lämpötila, ΔH on entalpian muutos, ΔG on vapaan energian muutos, ΔS on entropian muutos, a ja b ovat värähtelyparametrit, q on atomin varaus ja C on atomin elektronitiheys44,45. Lopuksi samat rakenteet optimoitiin ja QSAR-parametrit laskettiin PM6-tasolla käyttäen SCIGRESS-ohjelmistoa46 Kairon kansallisen tutkimuskeskuksen spektroskopiaosastolla Egyptissä.
Edellisessä työssämme47 arvioimme todennäköisintä mallia, joka kuvaa kolmen PVA-yksikön ja kahden NaAlg-yksikön vuorovaikutusta, glyserolin toimiessa pehmittiminä. Kuten edellä mainittiin, PVA:n ja NaAlg:n vuorovaikutukselle on kaksi mahdollisuutta. Näillä kahdella mallilla, 3PVA-2Na Alg (hiililuvun 10 perusteella) ja Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, on pienin energiavajeen arvo48 verrattuna muihin tarkasteltuihin rakenteisiin. Siksi glyserin lisäyksen vaikutusta PVA/Na Alg -seospolymeerin todennäköisimpään malliin tutkittiin käyttämällä kahta jälkimmäistä rakennetta: 3PVA-(C10)2Na Alg (yksinkertaisuuden vuoksi 3PVA-2Na Alg) ja Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. Kirjallisuuden mukaan PVA, NaAlg ja glyseroli voivat muodostaa vain heikkoja vetysidoksia hydroksyylifunktionaalisten ryhmien välille. Koska sekä PVA-trimeeri että NaAlg- ja glyseroli-dimeeri sisältävät useita OH-ryhmiä, kontakti voidaan toteuttaa yhden OH-ryhmistä kautta. Kuva 1 esittää malliglyserolimolekyylin ja mallimolekyylin 3PVA-2Na Alg välistä vuorovaikutusta, ja kuva 2 esittää konstruoitua mallia mallimolekyylin Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg ja eri glyserolipitoisuuksien välisestä vuorovaikutuksesta.
Optimoidut rakenteet: (a) Gly ja 3PVA − 2Na Alg vuorovaikuttavat (b) 1 Gly:n, (c) 2 Gly:n, (d) 3 Gly:n, (e) 4 Gly:n ja (f) 5 Gly:n kanssa.
Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg -yhdisteen optimoidut rakenteet vuorovaikutuksessa (a) 1 Gly:n, (b) 2 Gly:n, (c) 3 Gly:n, (d) 4 Gly:n, (e) 5 Gly:n ja (f) 6 Gly:n kanssa.
Elektronienergiavälin energia on tärkeä huomioon otettava parametri tutkittaessa minkä tahansa elektrodimateriaalin reaktiivisuutta. Koska se kuvaa elektronien käyttäytymistä, kun materiaaliin kohdistuu ulkoisia muutoksia. Siksi on tarpeen arvioida HOMO/LUMO-rakenteiden elektronienergiavälin energiat kaikille tutkituille rakenteille. Taulukko 2 esittää 3PVA-(C10)2Na Alg:n ja Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg:n HOMO/LUMO-energioiden muutokset glyserolin lisäyksen vuoksi. Viitteen 47 mukaan 3PVA-(C10)2Na Alg:n Eg-arvo on 0,2908 eV, kun taas toisen vuorovaikutuksen todennäköisyyttä heijastavan rakenteen (eli Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) Eg-arvo on 0,5706 eV.
Glyserolin lisäyksen havaittiin kuitenkin aiheuttavan pienen muutoksen 3PVA-(C10)2Na Alg:n Eg-arvossa. Kun 3PVA-(C10)2NaAlg vuorovaikutti 1, 2, 3, 4 ja 5 glyseroliyksikön kanssa, sen Eg-arvot olivat vastaavasti 0,302, 0,299, 0,308, 0,289 ja 0,281 eV. On kuitenkin arvokas havainto, että kolmen glyseroliyksikön lisäämisen jälkeen Eg-arvo pieneni kuin 3PVA-(C10)2Na Alg:n. Malli, joka kuvaa 3PVA-(C10)2Na Alg:n vuorovaikutusta viiden glyseroliyksikön kanssa, on todennäköisin vuorovaikutusmalli. Tämä tarkoittaa, että glyseroliyksiköiden määrän kasvaessa myös vuorovaikutuksen todennäköisyys kasvaa.
Samaan aikaan toisella vuorovaikutustodennäköisyydellä mallimolekyylien, jotka edustavat Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly:tä, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly:tä, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly:tä, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly:tä, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly:tä ja Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly:tä, HOMO/LUMO-energiat ovat vastaavasti 1,343, 1,347, 0,976, 0,607, 0,348 ja 0,496 eV. Taulukko 2 esittää lasketut HOMO/LUMO-energiavälien energiat kaikille rakenteille. Lisäksi ensimmäisen ryhmän vuorovaikutustodennäköisyyksien sama käyttäytyminen toistuu tässä.
Kiinteän olomuodon fysiikan kaistateorian mukaan elektrodimateriaalin energiavälin pienentyessä materiaalin elektronijohtavuus kasvaa. Doping on yleinen menetelmä natriumionikatodimateriaalien energiavälin pienentämiseksi. Jiang ym. käyttivät kuparidopingia parantaakseen β-NaMnO2-kerrosmateriaalien elektronijohtavuutta. DFT-laskelmien avulla he havaitsivat, että doping pienensi materiaalin energiaväliä 0,7 eV:sta 0,3 eV:iin. Tämä osoittaa, että kuparidoping parantaa β-NaMnO2-materiaalin elektronijohtavuutta.
MESP määritellään molekyylivarausjakauman ja yksittäisen positiivisen varauksen väliseksi vuorovaikutusenergiaksi. MESP:tä pidetään tehokkaana työkaluna kemiallisten ominaisuuksien ja reaktiivisuuden ymmärtämiseen ja tulkitsemiseen. MESP:tä voidaan käyttää polymeerimateriaalien välisten vuorovaikutusmekanismien ymmärtämiseen. MESP kuvaa tutkittavan yhdisteen varausjakaumaa. Lisäksi MESP tarjoaa tietoa tutkittavien materiaalien aktiivisista kohdista32. Kuva 3 esittää B3LYP/6-311G(d, p) teoriatasolla ennustettuja MESP-kuvaajia 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly ja 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly.
B3LYP/6-311 g(d, p):llä lasketut MESP-käyrät (a) glykolle ja 3PVA − 2Na algille, jotka ovat vuorovaikutuksessa (b) 1 glykoproteiinin, (c) 2 glykoproteiinin, (d) 3 glykoproteiinin, (e) 4 glykoproteiinin ja (f) 5 glykoproteiinin kanssa.
Kuvio 4 esittää laskennalliset MESP-tulokset ryhmille Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg-1Gly, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg- 5gly ja Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly. Laskettu MESP on esitetty ääriviivakäyttäytymisenä. Ääriviivat on esitetty eri väreillä. Jokainen väri edustaa eri elektronegatiivisuusarvoa. Punainen väri osoittaa erittäin elektronegatiivisia tai reaktiivisia kohtia. Keltainen väri puolestaan ​​edustaa rakenteen neutraaleja kohtia 49, 50, 51. MESP-tulokset osoittivat, että 3PVA-(C10)2Na Alg -yhdisteen reaktiivisuus lisääntyi tutkittujen mallien ympärillä olevan punaisen värin lisääntyessä. Samaan aikaan Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg -mallimolekyylin MESP-kartan punaisen värin intensiteetti pieneni johtuen vuorovaikutuksesta eri glyserolipitoisuuksien kanssa. Ehdotetun rakenteen ympärillä olevan punaisen värin jakauman muutos heijastaa reaktiivisuutta, kun taas intensiteetin kasvu vahvistaa 3PVA-(C10)2Na Alg -mallimolekyylin elektronegatiivisuuden kasvun glyserolipitoisuuden kasvun vuoksi.
B3LYP/6-311 g(d, p) laskettu MESP-termi 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Algille vuorovaikutuksessa (a) 1 Gly:n, (b) 2 Gly:n, (c) 3 Gly:n, (d) 4 Gly:n, (e) 5 Gly:n ja (f) 6 Gly:n kanssa.
Kaikilla ehdotetuilla rakenteilla on lämpöparametrit, kuten entalpia, entropia, lämpökapasiteetti, vapaa energia ja muodostumislämpö, ​​laskettuina eri lämpötiloissa välillä 200 K - 500 K. Fysikaalisten järjestelmien käyttäytymisen kuvaamiseksi on niiden sähköisen käyttäytymisen tutkimisen lisäksi tarpeen tutkia myös niiden lämpökäyttäytymistä lämpötilan funktiona niiden keskinäisen vuorovaikutuksen vuoksi, joka voidaan laskea taulukossa 1 esitettyjen yhtälöiden avulla. Näiden lämpöparametrien tutkimista pidetään tärkeänä indikaattorina tällaisten fysikaalisten järjestelmien reagointikyvystä ja stabiilisuudesta eri lämpötiloissa.
PVA-trimeerin entalpian osalta se reagoi ensin NaAlg-dimeerin kanssa, sitten hiiliatomiin nro 10 kiinnittyneen OH-ryhmän kautta ja lopuksi glyserolin kanssa. Entalpia on termodynaamisen järjestelmän energian mitta. Entalpia on yhtä kuin järjestelmän kokonaislämpö, ​​joka on yhtä kuin järjestelmän sisäinen energia plus sen tilavuuden ja paineen tulo. Toisin sanoen entalpia osoittaa, kuinka paljon lämpöä ja työtä aineeseen lisätään tai siitä poistetaan52.
Kuva 5 esittää entalpian muutoksia 3PVA-(C10)2Na Alg:n reaktion aikana eri glyserolipitoisuuksien kanssa. Lyhenteet A0, A1, A2, A3, A4 ja A5 edustavat mallimolekyylejä 3PVA-(C10)2Na Alg, 3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly ja 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly. Kuva 5a osoittaa, että entalpia kasvaa lämpötilan ja glyserolipitoisuuden noustessa. Rakenteen 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (eli A5) entalpia 200 K:ssa on 27,966 kcal/mol, kun taas rakenteen 3PVA-2NaAlg entalpia 200 K:ssa on 13,490 kcal/mol. Koska entalpia on positiivinen, reaktio on endoterminen.
Entropia määritellään suljetun termodynaamisen järjestelmän käytettävissä olevan energian mittana, ja sitä pidetään usein järjestelmän epäjärjestyksen mittana. Kuva 5b esittää 3PVA-(C10)2NaAlg:n entropian muutosta lämpötilan funktiona ja miten se vuorovaikuttaa eri glyseroliyksiköiden kanssa. Kaavio osoittaa, että entropia muuttuu lineaarisesti lämpötilan noustessa 200 K:sta 500 K:iin. Kuva 5b osoittaa selvästi, että 3PVA-(C10)2Na Alg -mallin entropia pyrkii saavuttamaan 200 cal/K/mol 200 K:ssa, koska 3PVA-(C10)2Na Alg -mallissa on vähemmän hilaepäjärjestystä. Lämpötilan noustessa 3PVA-(C10)2Na Alg -malli muuttuu epäjärjestyneeksi, mikä selittää entropian kasvun lämpötilan noustessa. Lisäksi on selvää, että 3PVA-C10 2Na Alg-5 Gly:n rakenteella on korkein entropia-arvo.
Sama käyttäytyminen havaitaan kuvassa 5c, joka esittää lämpökapasiteetin muutosta lämpötilan funktiona. Lämpökapasiteetti on lämmön määrä, joka tarvitaan tietyn ainemäärän lämpötilan muuttamiseksi 1 °C47. Kuva 5c esittää mallimolekyylin 3PVA-(C10)2NaAlg lämpökapasiteetin muutoksia, jotka johtuvat vuorovaikutuksista 1, 2, 3, 4 ja 5 glyseroliyksikön kanssa. Kuva osoittaa, että mallimolekyylin 3PVA-(C10)2NaAlg lämpökapasiteetti kasvaa lineaarisesti lämpötilan mukana. Havaittu lämpökapasiteetin kasvu lämpötilan noustessa johtuu fononien lämpövärähtelyistä. Lisäksi on näyttöä siitä, että glyserolipitoisuuden lisääminen johtaa mallimolekyylin 3PVA-(C10)2NaAlg lämpökapasiteetin kasvuun. Rakenne osoittaa, että 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly:llä on suurin lämpökapasiteettiarvo verrattuna muihin rakenteisiin.
Muita parametreja, kuten vapaa energia ja lopullinen muodostumislämpö, ​​laskettiin tutkituille rakenteille, ja ne on esitetty vastaavasti kuvassa 5d ja e. Lopullinen muodostumislämpö on lämpö, ​​joka vapautuu tai absorboituu puhtaan aineen muodostuessa sen alkuaineista vakiopaineessa. Vapaa energia voidaan määritellä energian kaltaiseksi ominaisuudeksi, eli sen arvo riippuu aineen määrästä kussakin termodynaamisessa tilassa. 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly:n vapaa energia ja muodostumislämpö olivat pienimmät ja olivat vastaavasti -1318,338 ja -1628,154 kcal/mol. Sitä vastoin 3PVA-(C10)2NaAlg:ta edustavalla rakenteella on korkeimmat vapaan energian ja muodostumislämmön arvot, vastaavasti -690,340 ja -830,673 kcal/mol, verrattuna muihin rakenteisiin. Kuten kuvassa 5 on esitetty, useat lämpöominaisuudet muuttuvat vuorovaikutuksessa glyserolin kanssa. Gibbsin vapaa energia on negatiivinen, mikä osoittaa, että ehdotettu rakenne on stabiili.
PM6 laski puhtaan 3PVA- (C10) 2Na Alg -yhdisteen (malli A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg - 1 Gly -yhdisteen (malli A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg - 2 Gly -yhdisteen (malli A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg - 3 Gly -yhdisteen (malli A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg - 4 Gly -yhdisteen (malli A4) ja 3PVA- (C10) 2Na Alg - 5 Gly -yhdisteen (malli A5) lämpöparametrit, joissa (a) on entalpia, (b) entropia, (c) lämpökapasiteetti, (d) vapaa energia ja (e) muodostumislämpö.
Toisaalta toinen vuorovaikutusmuoto PVA-trimeerin ja dimeerisen NaAlg:n välillä esiintyy PVA-trimeerirakenteen terminaalisissa ja keskimmäisissä OH-ryhmissä. Kuten ensimmäisessä ryhmässä, lämpöparametrit laskettiin käyttäen samaa teoriatasoa. Kuva 6a-e esittää entalpian, entropian, lämpökapasiteetin, vapaan energian ja lopulta muodostumislämmön vaihteluita. Kuvat 6a-c osoittavat, että Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg:n entalpia, entropia ja lämpökapasiteetti käyttäytyvät samalla tavalla kuin ensimmäinen ryhmä, kun ne ovat vuorovaikutuksessa 1, 2, 3, 4, 5 ja 6 glyseroliyksikön kanssa. Lisäksi niiden arvot kasvavat vähitellen lämpötilan noustessa. Lisäksi ehdotetussa Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg -mallissa entalpian, entropian ja lämpökapasiteetin arvot kasvoivat glyserolipitoisuuden kasvaessa. Lyhenteet B0, B1, B2, B3, B4, B5 ja B6 edustavat seuraavia rakenteita: Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 1 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 2gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 3gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 4 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 5 Gly ja Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Kuten kuvassa 6a–c on esitetty, on selvää, että entalpian, entropian ja lämpökapasiteetin arvot kasvavat glyseroliyksiköiden määrän kasvaessa yhdestä kuuteen.
PM6 laski puhtaan Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg (malli B0), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 1 Gly (malli B1), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 2 Gly (malli B2), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 3 Gly (malli B3), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 4 Gly (malli B4), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 5 Gly (malli B5) ja Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 6 Gly (malli B6) lämpöparametrit, mukaan lukien (a) entalpia, (b) entropia, (c) lämpökapasiteetti, (d) vapaa energia ja (e) muodostumislämpö.
Lisäksi rakenteella, joka edustaa Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg- 6 Gly, on korkeimmat entalpian, entropian ja lämpökapasiteetin arvot verrattuna muihin rakenteisiin. Näistä arvot nousivat arvoista 16,703 cal/mol, 257,990 cal/mol/K ja 131,323 kcal/mol Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg -rakenteessa vastaavasti arvoihin 33,223 cal/mol, 420,038 cal/mol/K ja 275,923 kcal/mol Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly.
Kuviot 6d ja e kuitenkin esittävät vapaan energian ja lopullisen muodostumislämmön (HF) lämpötilariippuvuuden. HF voidaan määritellä entalpian muutokseksi, joka tapahtuu, kun yksi mooli ainetta muodostuu sen alkuaineista luonnollisissa ja standardiolosuhteissa. Kuviosta käy ilmi, että kaikkien tutkittujen rakenteiden vapaa energia ja lopullinen muodostumislämpö osoittavat lineaarista riippuvuutta lämpötilasta eli ne kasvavat vähitellen ja lineaarisesti lämpötilan noustessa. Lisäksi kuvio vahvisti, että rakenteella, joka edustaa termiä 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly, on alhaisin vapaa energia ja alhaisin HF. Molemmat parametrit laskivat termissä 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly arvosta -758,337 arvoon -899,741 K cal/mol arvoihin -1 476,591 ja -1 828,523 K cal/mol. Tuloksista käy ilmi, että HF ​​pienenee glyseroliyksiköiden määrän kasvaessa. Tämä tarkoittaa, että funktionaalisten ryhmien lisääntymisen vuoksi myös reaktiivisuus kasvaa ja siten reaktion suorittamiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Tämä vahvistaa, että plastisoitua PVA/NaAlg:a voidaan käyttää akuissa sen korkean reaktiivisuuden ansiosta.
Lämpötilavaikutukset jaetaan yleensä kahteen tyyppiin: matalan lämpötilan vaikutuksiin ja korkean lämpötilan vaikutuksiin. Matalien lämpötilojen vaikutukset tuntuvat pääasiassa korkeilla leveysasteilla sijaitsevissa maissa, kuten Grönlannissa, Kanadassa ja Venäjällä. Talvella ulkolämpötila näissä paikoissa on selvästi alle nollan celsiusasteen. Alhaiset lämpötilat voivat vaikuttaa litiumioniakkujen käyttöikään ja suorituskykyyn, erityisesti ladattavissa hybridiajoneuvoissa, täyssähköajoneuvoissa ja hybridiajoneuvoissa käytettävien akkujen osalta. Avaruusmatkailu on toinen kylmä ympäristö, joka vaatii litiumioniakkuja. Esimerkiksi Marsin lämpötila voi laskea -120 celsiusasteeseen, mikä on merkittävä este litiumioniakkujen käytölle avaruusaluksissa. Alhaiset käyttölämpötilat voivat johtaa litiumioniakkujen varauksensiirtonopeuden ja kemiallisen reaktion aktiivisuuden heikkenemiseen, mikä johtaa litiumionien diffuusionopeuden heikkenemiseen elektrodin sisällä ja ionijohtavuuden heikkenemiseen elektrolyytissä. Tämä heikkeneminen johtaa energiakapasiteetin ja tehon heikkenemiseen ja joskus jopa suorituskyvyn heikkenemiseen53.
Korkean lämpötilan vaikutusta esiintyy useissa eri käyttöympäristöissä, mukaan lukien sekä korkean että matalan lämpötilan ympäristöt, kun taas matalan lämpötilan vaikutus rajoittuu pääasiassa matalan lämpötilan käyttöympäristöihin. Matalan lämpötilan vaikutus määräytyy ensisijaisesti ympäristön lämpötilan mukaan, kun taas korkean lämpötilan vaikutus liitetään yleensä tarkemmin litiumioniakun sisällä käytön aikana vallitseviin korkeisiin lämpötiloihin.
Litiumioniakut tuottavat lämpöä suurilla virroilla (mukaan lukien nopea lataus ja nopea purkaus), mikä nostaa akun sisälämpötilaa. Korkeille lämpötiloille altistuminen voi myös heikentää akun suorituskykyä, mukaan lukien kapasiteetin ja tehon menetys. Tyypillisesti litiumin menetys ja aktiivisten materiaalien palautuminen korkeissa lämpötiloissa johtavat kapasiteetin menetykseen, ja tehon menetys johtuu sisäisen resistanssin kasvusta. Jos lämpötila riistäytyy käsistä, tapahtuu lämpöpurkaus, joka joissakin tapauksissa voi johtaa itsesyttymiseen tai jopa räjähdykseen.
QSAR-laskelmat ovat laskennallisia tai matemaattisia mallinnusmenetelmiä, joita käytetään yhdisteiden biologisen aktiivisuuden ja rakenteellisten ominaisuuksien välisten suhteiden tunnistamiseen. Kaikki suunnitellut molekyylit optimoitiin ja jotkin QSAR-ominaisuudet laskettiin PM6-tasolla. Taulukossa 3 on lueteltu joitakin laskettuja QSAR-kuvaajia. Esimerkkejä tällaisista kuvaajista ovat varaus, TDM, kokonaisenergia (E), ionisaatiopotentiaali (IP), log P ja polarisoituvuus (katso taulukosta 1 kaavat IP:n ja log P:n määrittämiseksi).
Laskentatulokset osoittavat, että kaikkien tutkittujen rakenteiden kokonaisvaraus on nolla, koska ne ovat perustilassa. Ensimmäisellä vuorovaikutustodennäköisyydellä glyserolin TDM oli 2,788 Debyeä ja 6,840 Debyeä 3PVA-(C10) 2Na Alg:lle, kun taas TDM-arvot nousivat 17,990 Debyeen, 8,848 Debyeen, 5,874 Debyeen, 7,568 Debyeen ja 12,779 Debyeen, kun 3PVA-(C10) 2Na Alg oli vuorovaikutuksessa vastaavasti 1, 2, 3, 4 ja 5 glyseroliyksikön kanssa. Mitä suurempi TDM-arvo on, sitä suurempi on sen reaktiivisuus ympäristön kanssa.
Kokonaisenergia (E) laskettiin myös, ja glyserolin ja 3PVA-(C10)2 NaAlg:n E-arvoiksi saatiin vastaavasti -141,833 eV ja -200092,503 eV. Samaan aikaan 3PVA-(C10)2 NaAlg:ia edustavat rakenteet ovat vuorovaikutuksessa 1, 2, 3, 4 ja 5 glyseroliyksikön kanssa; E:ksi tulee vastaavasti -996,837, -1108,440, -1238,740, -1372,075 ja -1548,031 eV. Glyserolipitoisuuden lisääminen johtaa kokonaisenergian vähenemiseen ja siten reaktiivisuuden lisääntymiseen. Kokonaisenergialaskelman perusteella pääteltiin, että mallimolekyyli, joka on 3PVA-2Na Alg-5 Gly, on reaktiivisempi kuin muut mallimolekyylit. Tämä ilmiö liittyy niiden rakenteeseen. 3PVA-(C10)2NaAlg sisältää vain kaksi -COONa-ryhmää, kun taas muut rakenteet sisältävät kaksi -COONa-ryhmää, mutta niissä on useita OH-ryhmiä, mikä tarkoittaa, että niiden reaktiivisuus ympäristöä kohtaan on lisääntynyt.
Lisäksi tässä tutkimuksessa otetaan huomioon kaikkien rakenteiden ionisaatioenergiat (IE). Ionisaatioenergia on tärkeä parametri tutkittavan mallin reaktiivisuuden mittaamisessa. Energiaa, joka tarvitaan elektronin siirtämiseen molekyylin yhdestä pisteestä äärettömyyteen, kutsutaan ionisaatioenergiaksi. Se edustaa molekyylin ionisaatioastetta (eli reaktiivisuutta). Mitä korkeampi ionisaatioenergia on, sitä alhaisempi on reaktiivisuus. 3PVA-(C10)2NaAlg:n ja 1, 2, 3, 4 ja 5 glyseroliyksikön vuorovaikutuksen IE-tulokset olivat -9,256, -9,393, -9,393, -9,248 ja -9,323 eV, kun taas glyserolin ja 3PVA-(C10)2NaAlg:n IE-tulokset olivat -5,157 ja -9,341 eV. Koska glyserolin lisäys johti IP-arvon laskuun, molekyylin reaktiivisuus kasvoi, mikä parantaa PVA/NaAlg/glyserolimallimolekyylin sovellettavuutta sähkökemiallisissa laitteissa.
Taulukon 3 viides kuvaaja on Log P, joka on jakautumiskertoimen logaritmi ja jota käytetään kuvaamaan, onko tutkittava rakenne hydrofiilinen vai hydrofobinen. Negatiivinen Log P -arvo osoittaa hydrofiilistä molekyyliä, mikä tarkoittaa, että se liukenee helposti veteen ja huonosti orgaanisiin liuottimiin. Positiivinen arvo osoittaa päinvastaista prosessia.
Saatujen tulosten perusteella voidaan päätellä, että kaikki rakenteet ovat hydrofiilisiä, koska niiden Log P -arvot (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly ja 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) ovat -3,537, -5,261, -6,342, -7,423 ja -8,504, kun taas glyserolin Log P -arvo on vain -1,081 ja 3PVA-(C10)2Na Alg vain -3,100. Tämä tarkoittaa, että tutkittavan rakenteen ominaisuudet muuttuvat vesimolekyylien liittyessä sen rakenteeseen.
Lopuksi kaikkien rakenteiden polarisoituvuudet lasketaan myös PM6-tasolla käyttäen semiempiiristä menetelmää. Aiemmin on todettu, että useimpien materiaalien polarisoituvuus riippuu useista tekijöistä. Tärkein tekijä on tutkittavan rakenteen tilavuus. Kaikissa rakenteissa, joissa esiintyy ensimmäisen tyyppinen vuorovaikutus 3PVA:n ja 2NaAlg:n välillä (vuorovaikutus tapahtuu hiiliatomin numero 10 kautta), polarisoituvuutta parannetaan lisäämällä glyserolia. Polarisoituvuus kasvaa 29,690 Å:stä 35,076, 40,665, 45,177, 50,239 ja 54,638 Å:iin vuorovaikutusten ansiosta 1, 2, 3, 4 ja 5 glyseroliyksikön kanssa. Näin ollen havaittiin, että korkeimman polarisoituvuuden omaava mallimolekyyli on 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, kun taas alhaisimman polarisoituvuuden omaava mallimolekyyli on 3PVA-(C10)2NaAlg, jonka polarisaatio on 29,690 Å.
QSAR-deskriptorien arviointi paljasti, että 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly:tä edustava rakenne on reaktiivisin ensimmäisen ehdotetun vuorovaikutuksen kannalta.
Toisen PVA-trimeerin ja NaAlg-dimeerin välisen vuorovaikutusmuodon osalta tulokset osoittavat, että niiden varaukset ovat samanlaisia ​​kuin edellisessä osiossa ehdotetut ensimmäiselle vuorovaikutukselle. Kaikilla rakenteilla on nolla elektronivarausta, mikä tarkoittaa, että ne kaikki ovat perustilassa.
Kuten taulukosta 4 käy ilmi, Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Algin TDM-arvot (laskettuna PM6-tasolla) nousivat 11,581 Debyestä 15,756:een, 19,720:een, 21,756:een, 22,732:een, 15,507:ään ja 15,756:een, kun Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg reagoi 1, 2, 3, 4, 5 ja 6 glyseroliyksikön kanssa. Kokonaisenergia kuitenkin pienenee glyseroliyksiköiden määrän kasvaessa, ja kun Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg on vuorovaikutuksessa tietyn määrän glyseroliyksiköiden (1–6) kanssa, kokonaisenergia on vastaavasti −996,985, −1129,013, −1267,211, −1321,775, −1418,964 ja −1637,432 eV.
Toisen vuorovaikutustodennäköisyyden osalta IP, Log P ja polarisoituvuus lasketaan myös PM6-teoriatasolla. Siksi he ottivat huomioon kolme tehokkainta molekyylireaktiivisuuden kuvaajaa. Rakenteille, jotka edustavat End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg -yhdisteen vuorovaikutusta 1, 2, 3, 4, 5 ja 6 glyseroliyksikön kanssa, IP nousee arvosta −9,385 eV arvoihin −8,946, −8,848, −8,430, −9,537, −7,997 ja −8,900 eV. Laskettu Log P -arvo oli kuitenkin pienempi End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg -yhdisteen plastisoitumisen vuoksi glyserolilla. Kun glyserolipitoisuus kasvaa arvosta 1 arvoon 6, sen arvot ovat -5,334, -6,415, -7,496, -9,096, -9,861 ja -10,53 arvosta -3,643. Lopuksi polarisoituvuusdata osoitti, että glyserolipitoisuuden lisääminen johti Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg -yhdisteen polarisoituvuuden kasvuun. Mallimolekyylin Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg polarisoituvuus kasvoi 31,703 Å:stä 63,198 Å:iin kuuden glyseroliyksikön vuorovaikutuksen jälkeen. On tärkeää huomata, että glyseroliyksiköiden määrän lisääminen toisessa vuorovaikutustodennäköisyydessä suoritetaan sen varmistamiseksi, että suuresta atomien määrästä ja monimutkaisesta rakenteesta huolimatta suorituskyky paranee edelleen glyserolipitoisuuden kasvaessa. Voidaan siis sanoa, että saatavilla oleva PVA/Na Alg/glyseriinimalli voi osittain korvata litiumioniakut, mutta lisätutkimusta ja -kehitystä tarvitaan.
Pinnan sitoutumiskyvyn karakterisointi adsorbaattiin ja järjestelmien välisten ainutlaatuisten vuorovaikutusten arviointi edellyttää tietoa minkä tahansa kahden atomin välillä olevan sidoksen tyypistä, molekyylien välisten ja molekyylin sisäisten vuorovaikutusten monimutkaisuudesta sekä pinnan ja adsorbentin elektronitiheysjakaumasta. Elektronitiheys sidoksen kriittisessä pisteessä (BCP) vuorovaikutuksessa olevien atomien välillä on kriittinen sidoksen lujuuden arvioinnissa QTAIM-analyysissä. Mitä suurempi elektronin varaustiheys on, sitä vakaampi on kovalenttinen vuorovaikutus ja yleisesti ottaen sitä suurempi on elektronitiheys näissä kriittisissä pisteissä. Lisäksi, jos sekä elektronin kokonaisenergiatiheys (H(r)) että Laplacen varaustiheys (∇2ρ(r)) ovat alle 0, tämä osoittaa kovalenttisten (yleisten) vuorovaikutusten läsnäolon. Toisaalta, kun ∇2ρ(r) ja H(r) ovat suurempia kuin 0, se osoittaa ei-kovalenttisten (suljetun kuoren) vuorovaikutusten, kuten heikkojen vetysidosten, van der Waalsin voimien ja sähköstaattisten vuorovaikutusten, läsnäolon. QTAIM-analyysi paljasti ei-kovalenttisten vuorovaikutusten luonteen tutkituissa rakenteissa, kuten kuvissa 7 ja 8 on esitetty. Analyysin perusteella mallimolekyylit, jotka edustavat 3PVA − 2Na Alg ja Term 1 Na Alg − 3PVA–Mid 1 Na Alg, osoittivat parempaa stabiiliutta kuin molekyylit, jotka olivat vuorovaikutuksessa eri glysiiniyksiköiden kanssa. Tämä johtuu siitä, että useat alginaattirakenteessa yleisemmät ei-kovalenttiset vuorovaikutukset, kuten sähköstaattiset vuorovaikutukset ja vetysidokset, mahdollistavat alginaatin stabiloida komposiitteja. Lisäksi tuloksemme osoittavat ei-kovalenttisten vuorovaikutusten merkityksen 3PVA − 2Na Alg ja Term 1 Na Alg − 3PVA–Mid 1 Na Alg -mallimolekyylien ja glysiinin välillä, mikä osoittaa, että glysiinillä on tärkeä rooli komposiittien yleisen elektronisen ympäristön muokkaamisessa.
Mallimolekyylin 3PVA − 2NaAlg QTAIM-analyysi vuorovaikutuksessa (a) 0 Gly:n, (b) 1 Gly:n, (c) 2 Gly:n, (d) 3 Gly:n, (e) 4 Gly:n ja (f) 5Gly:n kanssa.