Շնորհակալություն nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի CSS-ի սահմանափակ աջակցություն: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել դիտարկիչի վերջին տարբերակը (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Բացի այդ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար այս կայքը չի ներառի ոճեր կամ JavaScript:
Նատրիումի առատ պաշարների շնորհիվ, նատրիում-իոնային մարտկոցները (NIB) ներկայացնում են էլեկտրաքիմիական էներգիայի կուտակման խոստումնալից այլընտրանքային լուծում: Ներկայումս NIB տեխնոլոգիայի զարգացման հիմնական խոչընդոտը էլեկտրոդային նյութերի բացակայությունն է, որոնք կարող են հետադարձելիորեն պահպանել/ազատել նատրիումի իոններ երկար ժամանակ: Հետևաբար, այս ուսումնասիրության նպատակն է տեսականորեն ուսումնասիրել գլիցերինի ավելացման ազդեցությունը պոլիվինիլային սպիրտի (PVA) և նատրիումի ալգինատի (NaAlg) խառնուրդների վրա՝ որպես NIB էլեկտրոդային նյութեր: Այս ուսումնասիրությունը կենտրոնանում է PVA-ի, նատրիումի ալգինատի և գլիցերինի խառնուրդների վրա հիմնված պոլիմեր էլեկտրոլիտների էլեկտրոնային, ջերմային և քանակական կառուցվածք-ակտիվության հարաբերության (QSAR) նկարագրությունների վրա: Այս հատկությունները ուսումնասիրվում են կիսափորձարարական մեթոդների և խտության ֆունկցիոնալ տեսության (DFT) միջոցով: Քանի որ կառուցվածքային վերլուծությունը բացահայտել է PVA/ալգինատի և գլիցերինի միջև փոխազդեցությունների մանրամասները, ուսումնասիրվել է արգելակային գոտու էներգիան (Eg): Արդյունքները ցույց են տալիս, որ գլիցերինի ավելացումը հանգեցնում է Eg արժեքի նվազմանը մինչև 0.2814 էՎ: Մոլեկուլային էլեկտրաստատիկ պոտենցիալի մակերեսը (MESP) ցույց է տալիս էլեկտրոններով հարուստ և էլեկտրոններով աղքատ շրջանների և մոլեկուլային լիցքերի բաշխումը ամբողջ էլեկտրոլիտային համակարգում: Ուսումնասիրված ջերմային պարամետրերը ներառում են էնթալպիան (H), էնտրոպիան (ΔS), ջերմունակությունը (Cp), Գիբսի ազատ էներգիան (G) և առաջացման ջերմությունը: Բացի այդ, այս ուսումնասիրության մեջ ուսումնասիրվել են մի քանի քանակական կառուցվածք-ակտիվության հարաբերությունների (QSAR) նկարագրիչներ, ինչպիսիք են ընդհանուր դիպոլային մոմենտը (TDM), ընդհանուր էներգիան (E), իոնացման պոտենցիալը (IP), Log P-ն և բևեռացման ունակությունը: Արդյունքները ցույց են տվել, որ H, ΔS, Cp, G և TDM-ը մեծանում են ջերմաստիճանի և գլիցերինի պարունակության բարձրացման հետ մեկտեղ: Միևնույն ժամանակ, առաջացման ջերմությունը, IP-ն և E-ն նվազել են, ինչը բարելավել է ռեակտիվությունը և բևեռացման ունակությունը: Բացի այդ, գլիցերին ավելացնելով՝ բջջի լարումը բարձրացել է մինչև 2.488 Վ: DFT և PM6 հաշվարկները, որոնք հիմնված են ծախսարդյունավետ PVA/Na Alg գլիցերինի վրա հիմնված էլեկտրոլիտների վրա, ցույց են տալիս, որ դրանք կարող են մասամբ փոխարինել լիթիում-իոնային մարտկոցներին իրենց բազմաֆունկցիոնալության շնորհիվ, սակայն անհրաժեշտ են հետագա բարելավումներ և հետազոտություններ:
Չնայած լիթիում-իոնային մարտկոցները (LIB) լայնորեն օգտագործվում են, դրանց կիրառումը բախվում է բազմաթիվ սահմանափակումների՝ կարճ կյանքի ցիկլի, բարձր գնի և անվտանգության հետ կապված մտահոգությունների պատճառով: Նատրիում-իոնային մարտկոցները (SIB) կարող են դառնալ LIB-ների կենսունակ այլընտրանք՝ իրենց լայն մատչելիության, ցածր գնի և նատրիումի տարրի ոչ թունավոր լինելու շնորհիվ: Նատրիում-իոնային մարտկոցները (SIB) դառնում են էլեկտրաքիմիական սարքերի համար էներգիայի կուտակման ավելի ու ավելի կարևոր համակարգ1: Նատրիում-իոնային մարտկոցները մեծապես կախված են էլեկտրոլիտներից՝ իոնների տեղափոխումը հեշտացնելու և էլեկտրական հոսանք առաջացնելու համար2,3: Հեղուկ էլեկտրոլիտները հիմնականում կազմված են մետաղական աղերից և օրգանական լուծիչներից: Գործնական կիրառությունները պահանջում են հեղուկ էլեկտրոլիտների անվտանգության ուշադիր քննարկում, հատկապես, երբ մարտկոցը ենթարկվում է ջերմային կամ էլեկտրական լարվածության4:
Նատրիում-իոնային մարտկոցները (ՆԻՄ) մոտ ապագայում կարող են փոխարինել լիթիում-իոնային մարտկոցներին՝ իրենց առատ օվկիանոսային պաշարների, ոչ թունավոր լինելու և ցածր նյութական արժեքի շնորհիվ: Նանոնյութերի սինթեզը արագացրել է տվյալների պահպանման, էլեկտրոնային և օպտիկական սարքերի զարգացումը: Գրականության մեծ մասը ցույց է տվել տարբեր նանոկառուցվածքների (օրինակ՝ մետաղական օքսիդներ, գրաֆեն, նանոխողովակներ և ֆուլերեններ) կիրառումը նատրիում-իոնային մարտկոցներում: Հետազոտությունները կենտրոնացած են նատրիում-իոնային մարտկոցների համար անոդային նյութերի, այդ թվում՝ պոլիմերների մշակման վրա՝ դրանց բազմակողմանիության և շրջակա միջավայրի համար անվնաս լինելու շնորհիվ: Վերալիցքավորվող պոլիմերային մարտկոցների ոլորտում հետազոտական ​​հետաքրքրությունը, անկասկած, կաճի: Նորարարական պոլիմերային էլեկտրոդային նյութերը՝ եզակի կառուցվածքներով և հատկություններով, հավանաբար, կհարթեն շրջակա միջավայրի համար անվտանգ էներգիայի կուտակման տեխնոլոգիաների ճանապարհը: Չնայած նատրիում-իոնային մարտկոցներում օգտագործելու համար ուսումնասիրվել են տարբեր պոլիմերային էլեկտրոդային նյութեր, այս ոլորտը դեռևս զարգացման վաղ փուլում է: Նատրիում-իոնային մարտկոցների համար անհրաժեշտ է ուսումնասիրել տարբեր կառուցվածքային կոնֆիգուրացիաներով ավելի շատ պոլիմերային նյութեր: Պոլիմերային էլեկտրոդային նյութերում նատրիումի իոնների կուտակման մեխանիզմի վերաբերյալ մեր ներկայիս գիտելիքների հիման վրա կարելի է ենթադրել, որ կոնյուգացված համակարգում կարբոնիլային խմբերը, ազատ ռադիկալները և հետերոատոմները կարող են ծառայել որպես նատրիումի իոնների հետ փոխազդեցության ակտիվ կենտրոններ: Հետևաբար, կարևոր է մշակել նոր պոլիմերներ՝ այդ ակտիվ կենտրոնների բարձր խտությամբ: Գելային պոլիմերային էլեկտրոլիտը (ԳՊԷ) այլընտրանքային տեխնոլոգիա է, որը բարելավում է մարտկոցի հուսալիությունը, իոնային հաղորդունակությունը, արտահոսքի բացակայությունը, բարձր ճկունությունը և լավ կատարողականությունը12:
Պոլիմերային մատրիցները ներառում են այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են PVA-ն և պոլիէթիլենօքսիդը (PEO)13: Գելային թափանցելի պոլիմերը (GPE) անշարժացնում է հեղուկ էլեկտրոլիտը պոլիմերային մատրիցում, ինչը նվազեցնում է արտահոսքի ռիսկը առևտրային բաժանիչների համեմատ14: PVA-ն սինթետիկ կենսաքայքայվող պոլիմեր է: Այն ունի բարձր թափանցելիություն, էժան է և ոչ թունավոր: Նյութը հայտնի է իր թաղանթագոյացնող հատկություններով, քիմիական կայունությամբ և կպչունությամբ: Այն նաև ունի ֆունկցիոնալ (OH) խմբեր և բարձր խաչաձև կապի պոտենցիալ խտություն15,16,17: Պոլիմերների խառնումը, պլաստիկացնողի ավելացումը, կոմպոզիտային ավելացումը և տեղում պոլիմերացման տեխնիկան օգտագործվել են PVA-ի վրա հիմնված պոլիմերային էլեկտրոլիտների հաղորդունակությունը բարելավելու համար՝ մատրիցի բյուրեղությունը նվազեցնելու և շղթայի ճկունությունը մեծացնելու համար18,19,20:
Խառնումը կարևոր մեթոդ է արդյունաբերական կիրառությունների համար պոլիմերային նյութեր մշակելու համար: Պոլիմերային խառնուրդները հաճախ օգտագործվում են՝ (1) բարելավելու բնական պոլիմերների մշակման հատկությունները արդյունաբերական կիրառություններում. (2) բարելավելու կենսաքայքայվող նյութերի քիմիական, ֆիզիկական և մեխանիկական հատկությունները. և (3) հարմարվելու սննդի փաթեթավորման արդյունաբերության մեջ նոր նյութերի արագ փոփոխվող պահանջարկին: Համապոլիմերացման համեմատ, պոլիմերների խառնումը ցածր գնով գործընթաց է, որն օգտագործում է պարզ ֆիզիկական գործընթացներ, այլ ոչ թե բարդ քիմիական գործընթացներ՝ ցանկալի հատկություններին հասնելու համար21: Հոմոպոլիմերներ ձևավորելու համար տարբեր պոլիմերներ կարող են փոխազդել դիպոլ-դիպոլ ուժերի, ջրածնային կապերի կամ լիցքի փոխանցման համալիրների միջոցով22,23: Բնական և սինթետիկ պոլիմերներից պատրաստված խառնուրդները կարող են համատեղել լավ կենսահամատեղելիությունը գերազանց մեխանիկական հատկությունների հետ՝ ստեղծելով գերազանց նյութ ցածր արտադրական արժեքով24,25: Հետևաբար, մեծ հետաքրքրություն է առաջացել կենսահամապատասխան պոլիմերային նյութեր ստեղծելու ուղղությամբ՝ սինթետիկ և բնական պոլիմերներ խառնելով: PVA-ն կարող է համակցվել նատրիումի ալգինատի (NaAlg), ցելյուլոզայի, խիտոզանի և օսլայի հետ26:
Նատրիումի ալգինատը բնական պոլիմեր և անիոնային պոլիսախարիդ է, որը արդյունահանվում է ծովային շագանակագույն ջրիմուռներից: Նատրիումի ալգինատը բաղկացած է β-(1-4)-կապված D-մանուրոնաթթվից (M) և α-(1-4)-կապված L-գուլուրոնաթթվից (G), որոնք կազմակերպված են հոմոպոլիմերային ձևերով (պոլի-M և պոլի-G) և հետերոպոլիմերային բլոկներով (MG կամ GM)27: M և G բլոկների պարունակությունը և հարաբերական հարաբերակցությունը զգալի ազդեցություն ունեն ալգինատի քիմիական և ֆիզիկական հատկությունների վրա28,29: Նատրիումի ալգինատը լայնորեն օգտագործվում և ուսումնասիրվում է իր կենսաքայքայման, կենսահամատեղելիության, ցածր գնի, լավ թաղանթագոյացնող հատկությունների և ոչ թունավոր լինելու շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, ալգինատի շղթայում ազատ հիդրօքսիլ (OH) և կարբօքսիլատ (COO) խմբերի մեծ քանակը ալգինատը դարձնում է բարձր հիդրոֆիլ: Այնուամենայնիվ, ալգինատն ունի վատ մեխանիկական հատկություններ՝ իր փխրունության և կոշտության պատճառով: Հետևաբար, ալգինատը կարող է համակցվել այլ սինթետիկ նյութերի հետ՝ ջրի նկատմամբ զգայունությունը և մեխանիկական հատկությունները բարելավելու համար30,31:
Նոր էլեկտրոդային նյութեր նախագծելուց առաջ, DFT հաշվարկները հաճախ օգտագործվում են նոր նյութերի արտադրության իրագործելիությունը գնահատելու համար: Բացի այդ, գիտնականները օգտագործում են մոլեկուլային մոդելավորում՝ փորձարարական արդյունքները հաստատելու և կանխատեսելու, ժամանակ խնայելու, քիմիական թափոնները կրճատելու և փոխազդեցության վարքագիծը կանխատեսելու համար32: Մոլեկուլային մոդելավորումը դարձել է գիտության հզոր և կարևոր ճյուղ բազմաթիվ ոլորտներում, ներառյալ նյութագիտությունը, նանոմատերիալները, հաշվողական քիմիան և դեղերի հայտնաբերումը33,34: Մոդելավորման ծրագրերի միջոցով գիտնականները կարող են անմիջապես ստանալ մոլեկուլային տվյալներ, ներառյալ էներգիան (առաջացման ջերմություն, իոնացման պոտենցիալ, ակտիվացման էներգիա և այլն) և երկրաչափությունը (կապերի անկյուններ, կապի երկարություններ և պտտման անկյուններ)35: Բացի այդ, կարելի է հաշվարկել էլեկտրոնային հատկությունները (լիցք, HOMO և LUMO գոտիների բացվածքի էներգիա, էլեկտրոնային կապակցություն), սպեկտրալ հատկությունները (բնութագրական տատանողական ռեժիմներ և ինտենսիվություններ, ինչպիսիք են FTIR սպեկտրները) և ծավալային հատկությունները (ծավալ, դիֆուզիա, մածուցիկություն, մոդուլ և այլն)36:
LiNiPO4-ը լիթիում-իոնային մարտկոցների դրական էլեկտրոդային նյութերի հետ մրցակցելիս ցուցաբերում է պոտենցիալ առավելություններ՝ իր բարձր էներգիայի խտության շնորհիվ (մոտ 5.1 Վ աշխատանքային լարում): Բարձր լարման տիրույթում LiNiPO4-ի առավելությունը լիարժեքորեն օգտագործելու համար անհրաժեշտ է իջեցնել աշխատանքային լարումը, քանի որ ներկայումս մշակված բարձր լարման էլեկտրոլիտը կարող է համեմատաբար կայուն մնալ միայն 4.8 Վ-ից ցածր լարումների դեպքում: Չժանը և իր գործընկերները ուսումնասիրել են LiNiPO4-ի Ni միջակայքում բոլոր 3d, 4d և 5d անցումային մետաղների լեգիրումը, ընտրել են լեգիրման օրինաչափություններ՝ գերազանց էլեկտրաքիմիական կատարողականությամբ, և կարգավորել են LiNiPO4-ի աշխատանքային լարումը՝ պահպանելով դրա էլեկտրաքիմիական կատարողականության հարաբերական կայունությունը: Նրանց կողմից ստացված ամենացածր աշխատանքային լարումները համապատասխանաբար 4.21, 3.76 և 3.5037 էին Ti, Nb և Ta-լեգիրված LiNiPO4-ի համար:
Հետևաբար, այս ուսումնասիրության նպատակն է տեսականորեն ուսումնասիրել գլիցերինի՝ որպես պլաստիկացնողի ազդեցությունը PVA/NaAlg համակարգի էլեկտրոնային հատկությունների, QSAR նկարագրիչների և ջերմային հատկությունների վրա՝ օգտագործելով քվանտային մեխանիկական հաշվարկներ՝ դրա լիցքավորվող իոնային-իոնային մարտկոցներում կիրառման համար: PVA/NaAlg մոդելի և գլիցերինի միջև մոլեկուլային փոխազդեցությունները վերլուծվել են Բադերի մոլեկուլների քվանտային ատոմային տեսության (QTAIM) միջոցով:
PVA-ի NaAlg-ի, ապա գլիցերինի հետ փոխազդեցությունը ներկայացնող մոլեկուլային մոդելը օպտիմիզացվել է DFT-ի միջոցով: Մոդելը հաշվարկվել է Gaussian 0938 ծրագրաշարի միջոցով՝ Կահիրե, Եգիպտոսի Ազգային հետազոտական ​​կենտրոնի սպեկտրոսկոպիայի բաժնում: Մոդելները օպտիմիզացվել են DFT-ի միջոցով՝ B3LYP/6-311G(d, p) մակարդակում39,40,41,42: Ուսումնասիրված մոդելների միջև փոխազդեցությունը ստուգելու համար, տեսության նույն մակարդակում կատարված հաճախականության ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս օպտիմիզացված երկրաչափության կայունությունը: Բոլոր գնահատված հաճախականությունների միջև բացասական հաճախականությունների բացակայությունը ընդգծում է ենթադրվող կառուցվածքը պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթի իրական դրական նվազագույններում: Ֆիզիկական պարամետրեր, ինչպիսիք են TDM-ը, HOMO/LUMO գոտիների բացվածքի էներգիան և MESP-ը, հաշվարկվել են տեսության նույն քվանտային մեխանիկայի մակարդակում: Բացի այդ, որոշ ջերմային պարամետրեր, ինչպիսիք են ձևավորման վերջնական ջերմությունը, ազատ էներգիան, էնտրոպիան, էնթալպիան և ջերմունակությունը, հաշվարկվել են աղյուսակ 1-ում տրված բանաձևերի միջոցով: Ուսումնասիրված մոդելները ենթարկվել են մոլեկուլներում ատոմների քվանտային տեսության (QTAIM) վերլուծության՝ ուսումնասիրված կառուցվածքների մակերևույթին տեղի ունեցող փոխազդեցությունները բացահայտելու համար: Այս հաշվարկները կատարվել են Gaussian 09 ծրագրային կոդի «output=wfn» հրամանի միջոցով, ապա վիզուալացվել են Avogadro ծրագրային կոդի միջոցով43:
Որտեղ E-ն ներքին էներգիան է, P-ն՝ ճնշումը, V-ն՝ ծավալը, Q-ն՝ համակարգի և դրա միջավայրի միջև ջերմափոխանակումը, T-ն՝ ջերմաստիճանը, ΔH-ն՝ էնթալպիայի փոփոխությունը, ΔG-ն՝ ազատ էներգիայի փոփոխությունը, ΔS-ը՝ էնտրոպիայի փոփոխությունը, a-ն և b-ն՝ տատանողական պարամետրերը, q-ն՝ ատոմային լիցքը, իսկ C-ն՝ ատոմային էլեկտրոնային խտությունը44,45: Վերջապես, նույն կառուցվածքները օպտիմալացվել են, և QSAR պարամետրերը հաշվարկվել են PM6 մակարդակում՝ օգտագործելով SCIGRESS ծրագրային կոդը46՝ Կահիրեի (Եգիպտոս) Ազգային հետազոտական ​​կենտրոնի սպեկտրոսկոպիայի բաժնում:
Մեր նախորդ աշխատանքում47 մենք գնահատել ենք երեք PVA միավորների և երկու NaAlg միավորների փոխազդեցության նկարագրող ամենահավանական մոդելը, որտեղ գլիցերինը հանդես է գալիս որպես պլաստիկացնող։ Ինչպես նշվեց վերևում, PVA-ի և NaAlg-ի փոխազդեցության համար կան երկու հնարավորություններ։ Երկու մոդելները, որոնք նշանակվել են 3PVA-2Na Alg (հիմնված ածխածնի 10 համարի վրա) և Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, ունեն ամենափոքր էներգետիկ բացի արժեքը48՝ համեմատած դիտարկվող մյուս կառուցվածքների հետ։ Հետևաբար, Gly-ի ավելացման ազդեցությունը PVA/Na Alg խառնուրդի պոլիմերի ամենահավանական մոդելի վրա ուսումնասիրվել է վերջին երկու կառուցվածքների միջոցով՝ 3PVA-(C10)2Na Alg (պարզության համար կոչվում է 3PVA-2Na Alg) և Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg։ Գրականության համաձայն, PVA-ն, NaAlg-ը և գլիցերինը կարող են առաջացնել միայն թույլ ջրածնային կապեր հիդրօքսիլ ֆունկցիոնալ խմբերի միջև։ Քանի որ և՛ PVA տրիմերը, և՛ NaAlg-ը և գլիցերինի դիմերը պարունակում են մի քանի OH խմբեր, շփումը կարող է իրականացվել OH խմբերից մեկի միջոցով: Նկար 1-ը ցույց է տալիս մոդելային գլիցերինի մոլեկուլի և 3PVA-2Na Alg մոդելային մոլեկուլի փոխազդեցությունը, իսկ Նկար 2-ը ցույց է տալիս մոդելային մոլեկուլ Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg-ի և գլիցերինի տարբեր կոնցենտրացիաների փոխազդեցության կառուցված մոդելը:
Օպտիմիզացված կառուցվածքներ՝ (ա) Gly-ն և 3PVA − 2Na Alg-ը փոխազդում են (բ) 1 Gly-ի, (գ) 2 Gly-ի, (դ) 3 Gly-ի, (ե) 4 Gly-ի և (զ) 5 Gly-ի հետ։
Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg-ի օպտիմիզացված կառուցվածքները, որոնք փոխազդում են (ա) 1 Gly-ի, (բ) 2 Gly-ի, (գ) 3 Gly-ի, (դ) 4 Gly-ի, (ե) 5 Gly-ի և (զ) 6 Gly-ի հետ։
Էլեկտրոնային արգելքի էներգիան կարևոր պարամետր է, որը պետք է հաշվի առնել ցանկացած էլեկտրոդային նյութի ռեակտիվության ուսումնասիրության ժամանակ։ Քանի որ այն նկարագրում է էլեկտրոնների վարքագիծը, երբ նյութը ենթարկվում է արտաքին փոփոխությունների։ Հետևաբար, անհրաժեշտ է գնահատել HOMO/LUMO-ի էլեկտրոնային արգելքի էներգիաները բոլոր ուսումնասիրված կառուցվածքների համար։ Աղյուսակ 2-ը ցույց է տալիս 3PVA-(C10)2Na Alg-ի և Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg-ի HOMO/LUMO էներգիաների փոփոխությունները գլիցերինի ավելացման պատճառով։ Համաձայն ref47-ի, 3PVA-(C10)2Na Alg-ի Eg արժեքը 0.2908 eV է, մինչդեռ երկրորդ փոխազդեցության հավանականությունը արտացոլող կառուցվածքի Eg արժեքը (այսինքն՝ Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) 0.5706 eV է։
Սակայն պարզվեց, որ գլիցերինի ավելացումը հանգեցրել է 3PVA-(C10)2Na Alg-ի Eg արժեքի աննշան փոփոխության: Երբ 3PVA-(C10)2NaAlg-ը փոխազդել է 1, 2, 3, 4 և 5 գլիցերինային միավորների հետ, դրա Eg արժեքները համապատասխանաբար դարձել են 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 և 0.281 eV: Այնուամենայնիվ, կա արժեքավոր մի փաստ, որ 3 գլիցերինային միավոր ավելացնելուց հետո Eg արժեքը փոքրացել է 3PVA-(C10)2Na Alg-ի արժեքից: 3PVA-(C10)2Na Alg-ի և հինգ գլիցերինային միավորների փոխազդեցությունը ներկայացնող մոդելը ամենահավանական փոխազդեցության մոդելն է: Սա նշանակում է, որ գլիցերինային միավորների քանակի աճին զուգընթաց փոխազդեցության հավանականությունը նույնպես մեծանում է:
Միևնույն ժամանակ, փոխազդեցության երկրորդ հավանականության դեպքում, մոդելային մոլեկուլների HOMO/LUMO էներգիաները, որոնք ներկայացնում են 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly և 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly տերմինները, համապատասխանաբար դառնում են 1.343, 1.34 ± 1, 0.976, 0.607, 0.348 և 0.496 eV: Աղյուսակ 2-ը ցույց է տալիս բոլոր կառուցվածքների համար հաշվարկված HOMO/LUMO գոտիական բացի էներգիաները: Ավելին, այստեղ կրկնվում է առաջին խմբի փոխազդեցության հավանականությունների նույն վարքագիծը։
Պինդ մարմնի ֆիզիկայի գոտիների տեսությունը պնդում է, որ էլեկտրոդային նյութի գոտիների միջև ընկած ժամանակահատվածի նվազումին զուգընթաց նյութի էլեկտրոնային հաղորդականությունը մեծանում է: Լոգավորումը նատրիում-իոնային կաթոդային նյութերի գոտիների միջև ընկած ժամանակահատվածը նվազեցնելու տարածված մեթոդ է: Ջիանգը և այլք օգտագործել են Cu լոգավորումը՝ β-NaMnO2 շերտավոր նյութերի էլեկտրոնային հաղորդականությունը բարելավելու համար: DFT հաշվարկների միջոցով նրանք պարզել են, որ լոգավորումը նյութի գոտիների միջև ընկած ժամանակահատվածը 0.7 էՎ-ից նվազեցրել է մինչև 0.3 էՎ: Սա ցույց է տալիս, որ Cu լոգավորումը բարելավում է β-NaMnO2 նյութի էլեկտրոնային հաղորդականությունը:
MESP-ն սահմանվում է որպես մոլեկուլային լիցքի բաշխման և մեկ դրական լիցքի միջև փոխազդեցության էներգիա: MESP-ն համարվում է քիմիական հատկությունները և ռեակտիվությունը հասկանալու և մեկնաբանելու արդյունավետ գործիք: MESP-ն կարող է օգտագործվել պոլիմերային նյութերի միջև փոխազդեցությունների մեխանիզմները հասկանալու համար: MESP-ն նկարագրում է լիցքի բաշխումը ուսումնասիրվող միացության ներսում: Բացի այդ, MESP-ն տեղեկատվություն է տրամադրում ուսումնասիրվող նյութերի ակտիվ կենտրոնների մասին32: Նկար 3-ը ցույց է տալիս 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly և 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly MESP գրաֆիկները, որոնք կանխատեսվել են տեսության B3LYP/6-311G(d, p) մակարդակում:
MESP ուրվագծերը հաշվարկված են B3LYP/6-311 g(d, p)-ով (ա) Gly-ի և 3PVA − 2Na Alg-ի փոխազդեցության համար (բ) 1 Gly-ի, (գ) 2 Gly-ի, (դ) 3 Gly-ի, (ե) 4 Gly-ի և (զ) 5 Gly-ի հետ։
Միևնույն ժամանակ, Նկար 4-ը ցույց է տալիս MESP-ի հաշվարկված արդյունքները համապատասխանաբար հետևյալ տերմինների համար՝ 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg-1Gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg-5gly և 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly: Հաշվարկված MESP-ը ներկայացված է որպես ուրվագծային վարքագիծ: Ուրվագծային գծերը ներկայացված են տարբեր գույներով: Յուրաքանչյուր գույն ներկայացնում է տարբեր էլեկտրոնեգատիվության արժեք: Կարմիր գույնը ցույց է տալիս բարձր էլեկտրոնեգատիվ կամ ռեակտիվ կենտրոնները: Միևնույն ժամանակ, դեղին գույնը ներկայացնում է կառուցվածքի չեզոք կենտրոնները՝ 49, 50, 51: MESP արդյունքները ցույց տվեցին, որ 3PVA-(C10)2Na Alg-ի ռեակտիվությունը մեծացել է ուսումնասիրված մոդելների շուրջ կարմիր գույնի աճին զուգընթաց։ Միևնույն ժամանակ, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg մոդելային մոլեկուլի MESP քարտեզում կարմիր գույնի ինտենսիվությունը նվազում է գլիցերինի տարբեր պարունակությունների հետ փոխազդեցության պատճառով։ Առաջարկվող կառուցվածքի շուրջ կարմիր գույնի բաշխման փոփոխությունը արտացոլում է ռեակտիվությունը, մինչդեռ ինտենսիվության աճը հաստատում է 3PVA-(C10)2Na Alg մոդելային մոլեկուլի էլեկտրոնեգատիվության աճը՝ գլիցերինի պարունակության աճի պատճառով։
B3LYP/6-311 g(d, p) հաշվարկված 1Na Alg-3PVA-Mid MESP տերմինը փոխազդում է (a) 1 Gly-ի, (b) 2 Gly-ի, (c) 3 Gly-ի, (d) 4 Gly-ի, (e) 5 Gly-ի և (f) 6 Gly-ի հետ։
Բոլոր առաջարկվող կառուցվածքների ջերմային պարամետրերը, ինչպիսիք են էնթալպիան, էնտրոպիան, ջերմունակությունը, ազատ էներգիան և առաջացման ջերմությունը, հաշվարկված են տարբեր ջերմաստիճաններում՝ 200 Կ-ից մինչև 500 Կ միջակայքում: Ֆիզիկական համակարգերի վարքագիծը նկարագրելու համար, դրանց էլեկտրոնային վարքագիծն ուսումնասիրելուց բացի, անհրաժեշտ է նաև ուսումնասիրել դրանց ջերմային վարքագիծը որպես ջերմաստիճանի ֆունկցիա՝ պայմանավորված միմյանց հետ փոխազդեցությամբ, որը կարելի է հաշվարկել աղյուսակ 1-ում տրված հավասարումներով: Այս ջերմային պարամետրերի ուսումնասիրությունը համարվում է նման ֆիզիկական համակարգերի արձագանքունակության և կայունության կարևոր ցուցանիշ տարբեր ջերմաստիճաններում:
Ինչ վերաբերում է PVA տրիմերին, ապա այն նախ ռեակցիայի մեջ է մտնում NaAlg դիմերի հետ, ապա 10 ածխածնի ատոմին միացված OH խմբի միջոցով և վերջապես գլիցերինի հետ։ Էնթալպիան ջերմադինամիկ համակարգում էներգիայի չափանիշ է։ Էնթալպիան հավասար է համակարգի ընդհանուր ջերմությանը, որը համարժեք է համակարգի ներքին էներգիային գումարած դրա ծավալի և ճնշման արտադրյալին։ Այլ կերպ ասած, էնթալպիան ցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն և աշխատանք է ավելացվում կամ հեռացվում նյութից52։
Նկար 5-ը ցույց է տալիս 3PVA-(C10)2Na Alg-ի ռեակցիայի ընթացքում էնթալպիայի փոփոխությունները գլիցերինի տարբեր կոնցենտրացիաներով: A0, A1, A2, A3, A4 և A5 հապավումները համապատասխանաբար ներկայացնում են 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 և 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly մոդելային մոլեկուլները: Նկար 5ա-ն ցույց է տալիս, որ էնթալպիան մեծանում է ջերմաստիճանի և գլիցերինի պարունակության բարձրացման հետ մեկտեղ: 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (այսինքն՝ A5)-ը ներկայացնող կառուցվածքի էնթալպիան 200 K ջերմաստիճանում կազմում է 27.966 կալ/մոլ, մինչդեռ 3PVA-2NaAlg-ը ներկայացնող կառուցվածքի էնթալպիան 200 K ջերմաստիճանում կազմում է 13.490 կալ/մոլ։ Վերջապես, քանի որ էնթալպիան դրական է, այս ռեակցիան էնդոթերմիկ է։
Էնտրոպիան սահմանվում է որպես փակ թերմոդինամիկ համակարգում անհասանելի էներգիայի չափանիշ և հաճախ դիտարկվում է որպես համակարգի անկարգության չափանիշ: Նկար 5բ-ն ցույց է տալիս 3PVA-(C10)2NaAlg-ի էնտրոպիայի փոփոխությունը ջերմաստիճանի հետ և թե ինչպես է այն փոխազդում տարբեր գլիցերինային միավորների հետ: Գրաֆիկը ցույց է տալիս, որ էնտրոպիան գծային կերպով փոխվում է ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց՝ 200 Կ-ից մինչև 500 Կ: Նկար 5բ-ն հստակ ցույց է տալիս, որ 3PVA-(C10)2Na Alg մոդելի էնտրոպիան 200 Կ ջերմաստիճանում հակված է 200 կալ/Կ/մոլ, քանի որ 3PVA-(C10)2Na Alg մոդելը ցուցաբերում է ավելի քիչ ցանցային անկարգություն: Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց 3PVA-(C10)2Na Alg մոդելը դառնում է անկարգ և բացատրում է էնտրոպիայի աճը ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: Ավելին, ակնհայտ է, որ 3PVA-C10 2Na Alg-5 Gly-ի կառուցվածքն ունի ամենաբարձր էնտրոպիայի արժեքը:
Նույն վարքագիծը դիտվում է նաև նկար 5գ-ում, որը ցույց է տալիս ջերմունակության փոփոխությունը ջերմաստիճանի հետ։ Ջերմունակությունը տվյալ քանակի նյութի ջերմաստիճանը 1°C47-ով փոխելու համար անհրաժեշտ ջերմության քանակն է։ Նկար 5գ-ն ցույց է տալիս 3PVA-(C10)2NaAlg մոդելային մոլեկուլի ջերմունակության փոփոխությունները 1, 2, 3, 4 և 5 գլիցերինային միավորների հետ փոխազդեցությունների պատճառով։ Նկարը ցույց է տալիս, որ 3PVA-(C10)2NaAlg մոդելի ջերմունակությունը գծայինորեն աճում է ջերմաստիճանի հետ։ Ջերմունակության դիտարկվող աճը ջերմաստիճանի բարձրացման հետ կապված պայմանավորված է ֆոնոնային ջերմային տատանումներով։ Բացի այդ, կան ապացույցներ, որ գլիցերինի պարունակության ավելացումը հանգեցնում է 3PVA-(C10)2NaAlg մոդելի ջերմունակության աճի։ Ավելին, կառուցվածքը ցույց է տալիս, որ 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly-ն ունի ամենաբարձր ջերմունակության արժեքը՝ համեմատած այլ կառուցվածքների հետ։
Ուսումնասիրված կառուցվածքների համար հաշվարկվել են այլ պարամետրեր, ինչպիսիք են ազատ էներգիան և վերջնական առաջացման ջերմությունը, որոնք համապատասխանաբար ներկայացված են նկար 5d և e-ում: Վերջնական առաջացման ջերմությունը մաքուր նյութի ձևավորման ընթացքում դրա բաղադրիչ տարրերից անընդհատ ճնշման տակ անջատված կամ կլանված ջերմությունն է: Ազատ էներգիան կարող է սահմանվել որպես էներգիային նման հատկություն, այսինքն՝ դրա արժեքը կախված է յուրաքանչյուր թերմոդինամիկ վիճակում գտնվող նյութի քանակից: 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly-ի ազատ էներգիան և առաջացման ջերմությունը ամենացածրն էին և համապատասխանաբար կազմում էին -1318.338 և -1628.154 կկալ/մոլ: Ի տարբերություն դրա, 3PVA-(C10)2NaAlg-ը ներկայացնող կառուցվածքն ունի ամենաբարձր ազատ էներգիայի և առաջացման ջերմության արժեքները՝ համապատասխանաբար -690.340 և -830.673 կկալ/մոլ, համեմատած այլ կառուցվածքների հետ: Ինչպես ցույց է տրված նկար 5-ում, տարբեր ջերմային հատկություններ փոխվել են գլիցերինի հետ փոխազդեցության պատճառով: Գիբսի ազատ էներգիան բացասական է, ինչը ցույց է տալիս, որ առաջարկվող կառուցվածքը կայուն է:
PM6-ը հաշվարկել է մաքուր 3PVA- (C10) 2Na Alg (մոդել A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (մոդել A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (մոդել A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (մոդել A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (մոդել A4) և 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (մոդել A5) ջերմային պարամետրերը, որտեղ (ա) էնթալպիան է, (բ) էնտրոպիան, (գ) ջերմունակությունը, (դ) ազատ էներգիան և (ե) առաջացման ջերմությունը։
Մյուս կողմից, PVA տրիմերայի և դիմերային NaAlg-ի միջև երկրորդ փոխազդեցության ռեժիմը տեղի է ունենում PVA տրիմերային կառուցվածքի ծայրային և միջին OH խմբերում: Ինչպես առաջին խմբում, ջերմային պարամետրերը հաշվարկվել են նույն մակարդակի տեսության միջոցով: Նկար 6a-e-ն ցույց է տալիս էնթալպիայի, էնտրոպիայի, ջերմունակության, ազատ էներգիայի և, ի վերջո, առաջացման ջերմության տատանումները: Նկար 6a-c-ն ցույց են տալիս, որ Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg-ի էնթալպիան, էնտրոպիան և ջերմունակությունը ցուցաբերում են նույն վարքագիծը, ինչ առաջին խումբը՝ 1, 2, 3, 4, 5 և 6 գլիցերինային միավորների հետ փոխազդելիս: Ավելին, դրանց արժեքները աստիճանաբար աճում են ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ: Բացի այդ, առաջարկվող Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg մոդելում էնթալպիայի, էնտրոպիայի և ջերմունակության արժեքները աճել են գլիցերինի պարունակության աճին զուգընթաց: B0, B1, B2, B3, B4, B5 և B6 հապավումները համապատասխանաբար ներկայացնում են հետևյալ կառուցվածքները՝ 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 և Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly: Ինչպես ցույց է տրված նկար 6a-c-ում, ակնհայտ է, որ էնթալպիայի, էնտրոպիայի և ջերմունակության արժեքները մեծանում են գլիցերինի միավորների քանակի 1-ից 6-ի աճին զուգընթաց:
PM6-ը հաշվարկել է մաքուր Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg (մոդել B0), Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (մոդել B1), Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (մոդել B2), Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (մոդել B3), Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (մոդել B4), Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (մոդել B5) և Տերմինալ 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (մոդել B6) ջերմային պարամետրերը, ներառյալ (ա) էնթալպիան, (բ) էնտրոպիան, (գ) ջերմունակությունը, (դ) ազատ էներգիան և (ե) առաջացման ջերմությունը։
Բացի այդ, Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-6 Gly տերմինը ներկայացնող կառուցվածքն ունի էնթալպիայի, էնտրոպիայի և ջերմունակության ամենաբարձր արժեքները՝ համեմատած այլ կառուցվածքների հետ։ Դրանց արժեքները Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg տերմինում 16.703 կալ/մոլ, 257.990 կալ/մոլ/K և 131.323 կկալ/մոլ համապատասխանաբար աճել են մինչև 33.223 կալ/մոլ, 420.038 կալ/մոլ/K և 275.923 կկալ/մոլ՝ Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly տերմինում։
Սակայն, նկար 6d և e-ն ցույց են տալիս ազատ էներգիայի և վերջնական առաջացման ջերմության (ՎԱ) ջերմաստիճանային կախվածությունը: ՎԱ-ն կարող է սահմանվել որպես էնթալպիայի փոփոխություն, որը տեղի է ունենում, երբ նյութի մեկ մոլը ձևավորվում է նրա տարրերից բնական և ստանդարտ պայմաններում: Նկարից ակնհայտ է, որ բոլոր ուսումնասիրված կառուցվածքների ազատ էներգիան և վերջնական առաջացման ջերմությունը գծային կախվածություն ունեն ջերմաստիճանից, այսինքն՝ դրանք աստիճանաբար և գծային կերպով աճում են ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ: Բացի այդ, նկարը նաև հաստատեց, որ 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly տերմինը ներկայացնող կառուցվածքն ունի ամենացածր ազատ էներգիան և ամենացածր ՎԱ-ն: Երկու պարամետրերն էլ նվազել են -758.337-ից մինչև -899.741 Կ կալ/մոլ 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly տերմինում մինչև -1,476.591 և -1,828.523 Կ կալ/մոլ: Արդյունքներից ակնհայտ է, որ ՎԱ-ն նվազում է գլիցերինի միավորների ավելացման հետ մեկտեղ: Սա նշանակում է, որ ֆունկցիոնալ խմբերի աճի պատճառով ռեակտիվությունը նույնպես մեծանում է, ուստի ռեակցիան իրականացնելու համար անհրաժեշտ է ավելի քիչ էներգիա։ Սա հաստատում է, որ պլաստիկացված PVA/NaAlg-ը կարող է օգտագործվել մարտկոցներում՝ իր բարձր ռեակտիվության շնորհիվ։
Ընդհանուր առմամբ, ջերմաստիճանի ազդեցությունները բաժանվում են երկու տեսակի՝ ցածր ջերմաստիճանի ազդեցություններ և բարձր ջերմաստիճանի ազդեցություններ: Ցածր ջերմաստիճանների ազդեցությունը հիմնականում զգացվում է բարձր լայնություններում գտնվող երկրներում, ինչպիսիք են Գրենլանդիան, Կանադան և Ռուսաստանը: Ձմռանը այս վայրերում դրսի օդի ջերմաստիճանը զգալիորեն ցածր է զրոյական աստիճան Ցելսիուսից: Լիթիում-իոնային մարտկոցների կյանքի տևողության և աշխատանքի վրա կարող են ազդել ցածր ջերմաստիճանները, հատկապես հիբրիդային էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում, մաքուր էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում և հիբրիդային էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում օգտագործվողները: Տիեզերական ճանապարհորդությունը մեկ այլ ցուրտ միջավայր է, որը պահանջում է լիթիում-իոնային մարտկոցներ: Օրինակ, Մարսի վրա ջերմաստիճանը կարող է իջնել մինչև -120 աստիճան Ցելսիուս, ինչը էական խոչընդոտ է ստեղծում տիեզերանավում լիթիում-իոնային մարտկոցների օգտագործման համար: Ցածր աշխատանքային ջերմաստիճանները կարող են հանգեցնել լիթիում-իոնային մարտկոցների լիցքի փոխանցման արագության և քիմիական ռեակցիայի ակտիվության նվազմանը, ինչը հանգեցնում է էլեկտրոդի ներսում լիթիումի իոնների դիֆուզիայի արագության և էլեկտրոլիտի իոնային հաղորդունակության նվազմանը: Այս քայքայումը հանգեցնում է էներգիայի հզորության և հզորության նվազմանը, իսկ երբեմն նույնիսկ արտադրողականության նվազմանը53:
Բարձր ջերմաստիճանի էֆեկտը տեղի է ունենում կիրառման ավելի լայն միջավայրերում, ներառյալ բարձր և ցածր ջերմաստիճանի միջավայրերը, մինչդեռ ցածր ջերմաստիճանի էֆեկտը հիմնականում սահմանափակվում է ցածր ջերմաստիճանի կիրառման միջավայրերով: Ցածր ջերմաստիճանի էֆեկտը հիմնականում որոշվում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանով, մինչդեռ բարձր ջերմաստիճանի էֆեկտը սովորաբար ավելի ճշգրիտ վերագրվում է լիթիում-իոնային մարտկոցի ներսում շահագործման ընթացքում բարձր ջերմաստիճաններին:
Լիթիում-իոնային մարտկոցները բարձր հոսանքի պայմաններում (ներառյալ արագ լիցքավորումը և արագ լիցքաթափումը) ջերմություն են առաջացնում, ինչը հանգեցնում է ներքին ջերմաստիճանի բարձրացման: Բարձր ջերմաստիճանների ազդեցությունը կարող է նաև հանգեցնել մարտկոցի աշխատանքի վատթարացման, այդ թվում՝ հզորության և հզորության կորստի: Սովորաբար, լիթիումի կորուստը և ակտիվ նյութերի վերականգնումը բարձր ջերմաստիճաններում հանգեցնում են հզորության կորստի, իսկ հզորության կորուստը պայմանավորված է ներքին դիմադրության աճով: Եթե ջերմաստիճանը վերահսկողությունից դուրս է գալիս, տեղի է ունենում ջերմային փախուստ, որը որոշ դեպքերում կարող է հանգեցնել ինքնաբռնկման կամ նույնիսկ պայթյունի:
QSAR հաշվարկները հաշվողական կամ մաթեմատիկական մոդելավորման մեթոդ են, որն օգտագործվում է միացությունների կենսաբանական ակտիվության և կառուցվածքային հատկությունների միջև կապերը բացահայտելու համար: Բոլոր նախագծված մոլեկուլները օպտիմալացվել են, և որոշ QSAR հատկություններ հաշվարկվել են PM6 մակարդակում: Աղյուսակ 3-ում ներկայացված են հաշվարկված QSAR նկարագրիչներից մի քանիսը: Նման նկարագրիչների օրինակներ են լիցքը, TDM-ը, ընդհանուր էներգիան (E), իոնացման պոտենցիալը (IP), Log P-ն և բևեռացումը (տե՛ս աղյուսակ 1-ը՝ IP-ն և Log P-ն որոշելու բանաձևերի համար):
Հաշվարկի արդյունքները ցույց են տալիս, որ բոլոր ուսումնասիրված կառուցվածքների ընդհանուր լիցքը զրո է, քանի որ դրանք գտնվում են հիմնական վիճակում: Առաջին փոխազդեցության հավանականության դեպքում գլիցերինի TDM-ը կազմել է 2.788 Դեբայ և 6.840 Դեբայ 3PVA-(C10)2Na Alg-ի համար, մինչդեռ TDM արժեքները բարձրացել են մինչև 17.990 Դեբայ, 8.848 Դեբայ, 5.874 Դեբայ, 7.568 Դեբայ և 12.779 Դեբայ, երբ 3PVA-(C10)2Na Alg-ը փոխազդել է համապատասխանաբար 1, 2, 3, 4 և 5 միավոր գլիցերինի հետ: Որքան բարձր է TDM արժեքը, այնքան բարձր է դրա ռեակտիվությունը շրջակա միջավայրի հետ:
Հաշվարկվել է նաև ընդհանուր էներգիան (E), և գլիցերինի և 3PVA-(C10)2 NaAlg-ի E արժեքները համապատասխանաբար կազմել են -141.833 eV և -200092.503 eV: Միևնույն ժամանակ, 3PVA-(C10)2 NaAlg-ը ներկայացնող կառուցվածքները փոխազդում են 1, 2, 3, 4 և 5 գլիցերինային միավորների հետ. E-ն դառնում է համապատասխանաբար -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 և -1548.031 eV: Գլիցերինի պարունակության մեծացումը հանգեցնում է ընդհանուր էներգիայի նվազմանը և, հետևաբար, ռեակտիվության աճի: Ընդհանուր էներգիայի հաշվարկի հիման վրա եզրակացվել է, որ մոդելային մոլեկուլը, որը 3PVA-2Na Alg-5 Gly է, ավելի ռեակտիվ է, քան մյուս մոդելային մոլեկուլները: Այս երևույթը կապված է դրանց կառուցվածքի հետ: 3PVA-(C10)2NaAlg-ը պարունակում է միայն երկու -COONa խումբ, մինչդեռ մյուս կառուցվածքները պարունակում են երկու -COONa խումբ, բայց կրում են մի քանի OH խմբեր, ինչը նշանակում է, որ դրանց ռեակտիվությունը շրջակա միջավայրի նկատմամբ մեծանում է։
Բացի այդ, այս ուսումնասիրության մեջ դիտարկվում են բոլոր կառուցվածքների իոնացման էներգիաները (IE): Իոնացման էներգիան կարևոր պարամետր է ուսումնասիրվող մոդելի ռեակտիվության չափման համար: Էլեկտրոնը մոլեկուլի մեկ կետից անվերջություն տեղափոխելու համար անհրաժեշտ էներգիան կոչվում է իոնացման էներգիա: Այն ներկայացնում է մոլեկուլի իոնացման (այսինքն՝ ռեակտիվության) աստիճանը: Որքան բարձր է իոնացման էներգիան, այնքան ցածր է ռեակտիվությունը: 3PVA-(C10)2NaAlg-ի 1, 2, 3, 4 և 5 գլիցերինային միավորների հետ փոխազդեցության IE արդյունքները համապատասխանաբար կազմել են -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 և -9.323 էՎ, մինչդեռ գլիցերինի և 3PVA-(C10)2NaAlg-ի IE-ները համապատասխանաբար կազմել են -5.157 և -9.341 էՎ: Քանի որ գլիցերինի ավելացումը հանգեցրել է IP արժեքի նվազմանը, մոլեկուլային ռեակտիվությունը մեծացել է, ինչը մեծացնում է PVA/NaAlg/գլիցերին մոդելային մոլեկուլի կիրառելիությունը էլեկտրաքիմիական սարքերում։
Աղյուսակ 3-ում հինգերորդ նկարագրիչը Log P-ն է, որը բաշխման գործակցի լոգարիթմն է և օգտագործվում է նկարագրելու համար, թե ուսումնասիրվող կառուցվածքը հիդրոֆիլ է, թե հիդրոֆոբ: ​​Բացասական Log P արժեքը ցույց է տալիս հիդրոֆիլ մոլեկուլ, ինչը նշանակում է, որ այն հեշտությամբ լուծվում է ջրում և վատ է լուծվում օրգանական լուծիչներում: Դրական արժեքը ցույց է տալիս հակառակ գործընթացը:
Ստացված արդյունքների հիման վրա կարելի է եզրակացնել, որ բոլոր կառուցվածքները հիդրոֆիլ են, քանի որ դրանց Log P արժեքները (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly և 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) համապատասխանաբար -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 և -8.504 են, մինչդեռ գլիցերինի Log P արժեքը ընդամենը -1.081 է, իսկ 3PVA-(C10)2Na Alg-ը՝ ընդամենը -3.100: Սա նշանակում է, որ ուսումնասիրվող կառուցվածքի հատկությունները կփոխվեն, քանի որ ջրի մոլեկուլները ներառվում են դրա կառուցվածքում:
Վերջապես, բոլոր կառուցվածքների բևեռացման ունակությունները նույնպես հաշվարկվում են PM6 մակարդակում՝ օգտագործելով կիսափորձարարական մեթոդ: Նախկինում նշվել է, որ նյութերի մեծ մասի բևեռացման ունակությունը կախված է տարբեր գործոններից: Ամենակարևոր գործոնը ուսումնասիրվող կառուցվածքի ծավալն է: 3PVA-ի և 2NaAlg-ի միջև առաջին տիպի փոխազդեցություն ներառող բոլոր կառուցվածքների համար (փոխազդեցությունը տեղի է ունենում 10 ածխածնի ատոմի միջոցով), բևեռացման ունակությունը բարելավվում է գլիցերինի ավելացմամբ: Բևեռացման ունակությունը 29.690 Å-ից աճում է մինչև 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 և 54.638 Å՝ 1, 2, 3, 4 և 5 գլիցերինային միավորների հետ փոխազդեցությունների պատճառով: Այսպիսով, պարզվեց, որ ամենաբարձր բևեռացման ունակություն ունեցող մոդելային մոլեկուլը 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly-ն է, մինչդեռ ամենացածր բևեռացման ունակություն ունեցող մոդելային մոլեկուլը 3PVA-(C10)2NaAlg-ն է, որը կազմում է 29.690 Å։
QSAR նկարագրիչների գնահատումը ցույց տվեց, որ 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly-ը ներկայացնող կառուցվածքն ամենառեակտիվն է առաջին առաջարկվող փոխազդեցության համար։
PVA տրիմերի և NaAlg դիմերի միջև երկրորդ փոխազդեցության ռեժիմի համար արդյունքները ցույց են տալիս, որ դրանց լիցքերը նման են նախորդ բաժնում առաջին փոխազդեցության համար առաջարկվածներին։ Բոլոր կառուցվածքներն ունեն զրոյական էլեկտրոնային լիցք, ինչը նշանակում է, որ դրանք բոլորը գտնվում են հիմնական վիճակում։
Ինչպես ցույց է տրված աղյուսակ 4-ում, 1-ին տերմինի Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg-ի TDM արժեքները (հաշվարկված PM6 մակարդակով) 11.581 Դեբայից աճել են մինչև 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507 և 15.756, երբ 1-ին տերմինի Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg-ը ռեակցիայի մեջ է մտել գլիցերինի 1, 2, 3, 4, 5 և 6 միավորների հետ։ Սակայն, ընդհանուր էներգիան նվազում է գլիցերինի միավորների թվի աճին զուգընթաց, և երբ Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg-ը փոխազդում է որոշակի քանակությամբ գլիցերինի միավորների հետ (1-ից 6), ընդհանուր էներգիան կազմում է համապատասխանաբար՝ − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964 և − 1637.432 eV:
Երկրորդ փոխազդեցության հավանականության համար IP-ն, Log P-ն և բևեռացումը նույնպես հաշվարկվել են PM6 տեսության մակարդակում: Հետևաբար, նրանք դիտարկել են մոլեկուլային ռեակտիվության երեք ամենահզոր նկարագրիչները: End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ը ներկայացնող կառուցվածքների համար, որոնք փոխազդում են 1, 2, 3, 4, 5 և 6 գլիցերինային միավորների հետ, IP-ն աճում է -9.385 eV-ից մինչև -8.946, -8.848, -8.430, -9.537, -7.997 և -8.900 eV: Այնուամենայնիվ, հաշվարկված Log P արժեքը ավելի ցածր էր End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ի գլիցերինով պլաստիկացման պատճառով: Գլիցերինի պարունակության 1-ից 6-ի աճի հետ մեկտեղ, դրա արժեքները դառնում են -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 և -10.53՝ -3.643-ի փոխարեն: Վերջապես, բևեռացման տվյալները ցույց տվեցին, որ գլիցերինի պարունակության ավելացումը հանգեցրել է Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ի բևեռացման ունակության աճի: Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg մոդելային մոլեկուլի բևեռացումը 31.703 Å-ից աճել է մինչև 63.198 Å՝ 6 գլիցերինի միավորների հետ փոխազդեցությունից հետո: Կարևոր է նշել, որ երկրորդ փոխազդեցության հավանականության մեջ գլիցերինի միավորների քանակի ավելացումը կատարվում է հաստատելու համար, որ չնայած ատոմների մեծ թվին և բարդ կառուցվածքին, աշխատանքը դեռևս բարելավվում է գլիցերինի պարունակության աճի հետ մեկտեղ: Այսպիսով, կարելի է ասել, որ առկա PVA/Na Alg/գլիցերին մոդելը կարող է մասամբ փոխարինել լիթիում-իոնային մարտկոցներին, սակայն անհրաժեշտ են լրացուցիչ հետազոտություններ և մշակումներ։
Մակերեսի կապման ունակությունը ադսորբատի հետ բնութագրելու և համակարգերի միջև եզակի փոխազդեցությունների գնահատման համար անհրաժեշտ է իմանալ ցանկացած երկու ատոմների միջև գոյություն ունեցող կապի տեսակը, միջմոլեկուլային և ներմոլեկուլային փոխազդեցությունների բարդությունը, ինչպես նաև մակերեսի և ադսորբենտի էլեկտրոնային խտության բաշխումը: Փոխազդող ատոմների միջև կապի կրիտիկական կետում (BCP) էլեկտրոնային խտությունը կարևոր է QTAIM վերլուծության մեջ կապի ամրությունը գնահատելու համար: Որքան բարձր է էլեկտրոնային լիցքի խտությունը, այնքան կայուն է կովալենտային փոխազդեցությունը և, ընդհանուր առմամբ, այնքան բարձր է էլեկտրոնային խտությունը այս կրիտիկական կետերում: Ավելին, եթե և՛ ընդհանուր էլեկտրոնային էներգիայի խտությունը (H(r)), և՛ Լապլասի լիցքի խտությունը (∇2ρ(r)) փոքր են 0-ից, սա ցույց է տալիս կովալենտ (ընդհանուր) փոխազդեցությունների առկայությունը: Մյուս կողմից, երբ ∇2ρ(r)-ը և H(r)-ը մեծ են 0.54-ից, դա ցույց է տալիս ոչ կովալենտ (փակ թաղանթ) փոխազդեցությունների առկայությունը, ինչպիսիք են թույլ ջրածնային կապերը, վան դեր Վալսի ուժերը և էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունները: QTAIM վերլուծությունը բացահայտեց ուսումնասիրված կառուցվածքներում ոչ կովալենտ փոխազդեցությունների բնույթը, ինչպես ցույց է տրված նկար 7-ում և 8-ում: Վերլուծության հիման վրա, 3PVA − 2Na Alg և Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg ներկայացնող մոդելային մոլեկուլները ցուցաբերեցին ավելի բարձր կայունություն, քան տարբեր գլիցինային միավորների հետ փոխազդող մոլեկուլները: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ալգինատի կառուցվածքում ավելի տարածված մի շարք ոչ կովալենտ փոխազդեցություններ, ինչպիսիք են էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունները և ջրածնային կապերը, թույլ են տալիս ալգինատին կայունացնել կոմպոզիտները: Ավելին, մեր արդյունքները ցույց են տալիս 3PVA − 2Na Alg և Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg մոդելային մոլեկուլների և գլիցինի միջև ոչ կովալենտ փոխազդեցությունների կարևորությունը, ինչը ցույց է տալիս, որ գլիցինը կարևոր դեր է խաղում կոմպոզիտների ընդհանուր էլեկտրոնային միջավայրի փոփոխման գործում:
3PVA − 2NaAlg մոդելային մոլեկուլի QTAIM վերլուծությունը, որը փոխազդում է (ա) 0 Gly-ի, (բ) 1 Gly-ի, (գ) 2 Gly-ի, (դ) 3 Gly-ի, (ե) 4 Gly-ի և (զ) 5Gly-ի հետ։