Дзякуй за наведванне сайта nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць апошнюю версію браўзера (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Акрамя таго, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, гэты сайт не будзе ўтрымліваць стылі або JavaScript.
Дзякуючы багатым рэсурсам натрыю, натрый-іённыя акумулятары (NIB) уяўляюць сабой перспектыўнае альтэрнатыўнае рашэнне для электрахімічнага захоўвання энергіі. У цяперашні час асноўнай перашкодай у развіцці тэхналогіі NIB з'яўляецца адсутнасць электродных матэрыялаў, якія могуць зварачальна захоўваць/вызваляць іоны натрыю на працягу доўгага часу. Таму мэтай гэтага даследавання з'яўляецца тэарэтычнае вывучэнне ўплыву дадання гліцэрыны на сумесі полівінілавага спірту (PVA) і альгінату натрыю (NaAlg) як электродныя матэрыялы NIB. Гэта даследаванне сканцэнтравана на электронных, цеплавых і колькасных дэскрыптарах залежнасці структуры ад актыўнасці (QSAR) палімерных электралітаў на аснове сумесяў PVA, альгінату натрыю і гліцэрыны. Гэтыя ўласцівасці даследаваны з выкарыстаннем паўэмпірычных метадаў і тэорыі функцыяналу шчыльнасці (DFT). Паколькі структурны аналіз раскрыў дэталі ўзаемадзеяння паміж PVA/альгінатам і гліцэрынай, была даследавана энергія забароненай зоны (Eg). Вынікі паказваюць, што даданне гліцэрыны прыводзіць да зніжэння значэння Eg да 0,2814 эВ. Малекулярны электрастатычны патэнцыял паверхні (MESP) паказвае размеркаванне багатых і бедных электронамі абласцей і малекулярных зарадаў ва ўсёй электралітнай сістэме. Даследаваныя цеплавыя параметры ўключаюць энтальпію (H), энтрапію (ΔS), цеплаёмістасць (Cp), свабодную энергію Гібса (G) і цеплыню ўтварэння. Акрамя таго, у гэтым даследаванні былі даследаваны некалькі колькасных дэскрыптараў залежнасці структуры ад актыўнасці (QSAR), такія як поўны дыпольны момант (TDM), поўная энергія (E), патэнцыял іанізацыі (IP), log P і палярызаванасць. Вынікі паказалі, што H, ΔS, Cp, G і TDM павялічваюцца з павышэннем тэмпературы і ўтрымання гліцэрыны. У той жа час цеплыня ўтварэння, IP і E зніжаюцца, што паляпшае рэакцыйную здольнасць і палярызаванасць. Акрамя таго, пры даданні гліцэрыны напружанне на элементе павялічваецца да 2,488 В. Разлікі DFT і PM6, заснаваныя на эканамічна эфектыўных электралітах на аснове гліцэрыны PVA/Na Alg, паказваюць, што яны могуць часткова замяніць літый-іённыя акумулятары дзякуючы сваёй шматфункцыянальнасці, але неабходныя далейшыя ўдасканаленні і даследаванні.
Нягледзячы на ​​шырокае выкарыстанне літый-іённых акумулятараў (LIB), іх прымяненне сутыкаецца з многімі абмежаваннямі з-за кароткага тэрміну службы, высокага кошту і праблем бяспекі. Натрый-іённыя акумулятары (SIB) могуць стаць жыццяздольнай альтэрнатывай LIB дзякуючы іх шырокай даступнасці, нізкай кошту і нетаксічнасці натрыевага элемента. Натрый-іённыя акумулятары (SIB) становяцца ўсё больш важнай сістэмай назапашвання энергіі для электрахімічных прылад1. Натрый-іённыя акумулятары ў значнай ступені залежаць ад электралітаў для палягчэння транспарту іонаў і генерацыі электрычнага току2,3. Вадкія электраліты ў асноўным складаюцца з соляў металаў і арганічных растваральнікаў. Практычнае прымяненне патрабуе ўважлівага разгляду бяспекі вадкіх электралітаў, асабліва калі акумулятар падвяргаецца цеплавому або электрычнаму напружанню4.
Чакаецца, што натрый-іённыя акумулятары (SIB) у бліжэйшай будучыні заменяць літый-іённыя акумулятары дзякуючы іх багатым запасам у акіяне, нетаксічнасці і нізкай кошту матэрыялаў. Сінтэз нанаматэрыялаў паскорыў развіццё прылад для захоўвання дадзеных, электронных і аптычных прылад. Вялікая колькасць літаратуры прадэманстравала прымяненне розных нанаструктур (напрыклад, аксідаў металаў, графену, нанатрубак і фулерэнаў) у натрый-іённых акумулятарах. Даследаванні былі сканцэнтраваны на распрацоўцы анодных матэрыялаў, у тым ліку палімераў, для натрый-іённых акумулятараў дзякуючы іх універсальнасці і экалагічнасці. Цікавасць да даследаванняў у галіне акумулятарных палімерных акумулятараў, несумненна, будзе расці. Новыя палімерныя электродныя матэрыялы з унікальнымі структурамі і ўласцівасцямі, верагодна, пракладуць шлях да экалагічна чыстых тэхналогій захоўвання энергіі. Нягледзячы на ​​тое, што розныя палімерныя электродныя матэрыялы былі вывучаны для выкарыстання ў натрый-іённых акумулятарах, гэтая галіна ўсё яшчэ знаходзіцца на ранніх стадыях развіцця. Для натрый-іённых акумулятараў неабходна вывучыць больш палімерных матэрыялаў з рознымі структурнымі канфігурацыямі. Зыходзячы з нашых бягучых ведаў аб механізме захоўвання іонаў натрыю ў палімерных электродных матэрыялах, можна выказаць гіпотэзу, што карбанільныя групы, свабодныя радыкалы і гетэраатамы ў спалучанай сістэме могуць служыць актыўнымі цэнтрамі для ўзаемадзеяння з іонамі натрыю. Таму вельмі важна распрацоўваць новыя палімеры з высокай шчыльнасцю гэтых актыўных цэнтраў. Гелевы палімерны электраліт (GPE) - гэта альтэрнатыўная тэхналогія, якая паляпшае надзейнасць акумулятара, іонную праводнасць, адсутнасць уцечак, высокую гнуткасць і добрую прадукцыйнасць12.
Палімерныя матрыцы ўключаюць такія матэрыялы, як ПВА і поліэтыленаксід (ПЭА)13. Гелепранікальны палімер (ГПЭ) імабілізуе вадкі электраліт у палімернай матрыцы, што зніжае рызыку ўцечкі ў параўнанні з камерцыйнымі сепаратарамі14. ПВА - гэта сінтэтычны біяраскладальны палімер. Ён мае высокую дыэлектрычную пранікальнасць, недарагі і нетаксічны. Матэрыял вядомы сваімі плёнкаўтваральнымі ўласцівасцямі, хімічнай стабільнасцю і адгезіяй. Ён таксама валодае функцыянальнымі (ОН) групамі і высокай шчыльнасцю патэнцыялу зшывання15,16,17. Для паляпшэння праводнасці палімерных электралітаў на аснове ПВА з мэтай зніжэння крышталічнасці матрыцы і павелічэння гнуткасці ланцуга18,19,20 выкарыстоўваліся метады змешвання палімераў, дадання пластыфікатара, дадання кампазіта і палімерызацыі in situ.
Змешванне — важны метад распрацоўкі палімерных матэрыялаў для прамысловага прымянення. Палімерныя сумесі часта выкарыстоўваюцца для: (1) паляпшэння тэхналагічных уласцівасцей натуральных палімераў у прамысловым ужыванні; (2) паляпшэння хімічных, фізічных і механічных уласцівасцей біяраскладальных матэрыялаў; і (3) адаптацыі да хутка зменлівага попыту на новыя матэрыялы ў харчовай упакоўцы. У адрозненне ад сапалімерызацыі, змешванне палімераў — гэта недарагі працэс, які выкарыстоўвае простыя фізічныя працэсы, а не складаныя хімічныя працэсы для дасягнення жаданых уласцівасцей21. Для ўтварэння гомапалімераў розныя палімеры могуць узаемадзейнічаць праз дыполь-дыпольныя сілы, вадародныя сувязі або комплексы з пераносам зараду22,23. Сумесі, вырабленыя з натуральных і сінтэтычных палімераў, могуць спалучаць добрую біясумяшчальнасць з выдатнымі механічнымі ўласцівасцямі, ствараючы выдатны матэрыял з нізкім вытворчым коштам24,25. Такім чынам, існуе вялікая цікавасць да стварэння біярэлевантных палімерных матэрыялаў шляхам змешвання сінтэтычных і натуральных палімераў. ПВА можна спалучаць з альгінатам натрыю (NaAlg), цэлюлозай, хітазанам і крухмалам26.
Альгінат натрыю — гэта натуральны палімер і аніённы поліцукрыд, які здабываецца з марскіх бурых водарасцяў. Альгінат натрыю складаецца з β-(1-4)-звязанай D-мануронавай кіслаты (M) і α-(1-4)-звязанай L-гулуронавай кіслаты (G), арганізаваных у гомапалімерныя формы (полі-M і полі-G) і гетэрапалімерныя блокі (MG або GM)27. Змест і адноснае суадносіны блокаў M і G аказваюць значны ўплыў на хімічныя і фізічныя ўласцівасці альгінату28,29. Альгінат натрыю шырока выкарыстоўваецца і вывучаецца дзякуючы сваёй біяраскладальнасці, біясумяшчальнасці, нізкай кошту, добрым плёнкаўтваральным уласцівасцям і нетаксічнасці. Аднак вялікая колькасць свабодных гідраксільных (OH) і карбаксілатных (COO) груп у альгінатным ланцугу робіць альгінат вельмі гідрафільным. Аднак альгінат мае дрэнныя механічныя ўласцівасці з-за сваёй далікатнасці і калянасці. Таму альгінат можна спалучаць з іншымі сінтэтычнымі матэрыяламі для паляпшэння адчувальнасці да вады і механічных уласцівасцей30,31.
Перад распрацоўкай новых матэрыялаў для электродаў часта выкарыстоўваюцца разлікі DFT для ацэнкі магчымасці вырабу новых матэрыялаў. Акрамя таго, навукоўцы выкарыстоўваюць малекулярнае мадэляванне для пацверджання і прагназавання эксперыментальных вынікаў, эканоміі часу, скарачэння хімічных адходаў і прагназавання паводзін узаемадзеяння32. Малекулярнае мадэляванне стала магутнай і важнай галіной навукі ў многіх галінах, уключаючы матэрыялазнаўства, нанаматэрыялы, вылічальную хімію і адкрыццё лекаў33,34. Выкарыстоўваючы праграмы мадэлявання, навукоўцы могуць непасрэдна атрымліваць малекулярныя дадзеныя, у тым ліку энергію (цеплата ўтварэння, патэнцыял іанізацыі, энергія актывацыі і г.д.) і геаметрыю (вуглы сувязі, даўжыні сувязі і круцільныя вуглы)35. Акрамя таго, можна разлічыць электронныя ўласцівасці (зарад, энергія забароненай зоны HOMO і LUMO, сродства да электрона), спектральныя ўласцівасці (характэрныя вагальныя моды і інтэнсіўнасці, такія як спектры FTIR) і аб'ёмныя ўласцівасці (аб'ём, дыфузія, глейкасць, модуль і г.д.)36.
LiNiPO4 дэманструе патэнцыйныя перавагі ў канкурэнцыі з матэрыяламі для станоўчых электродаў літый-іённых акумулятараў дзякуючы высокай шчыльнасці энергіі (працоўнае напружанне каля 5,1 В). Каб цалкам выкарыстаць перавагу LiNiPO4 у вобласці высокіх напружанняў, працоўнае напружанне неабходна знізіць, паколькі распрацаваны ў цяперашні час высокавольтны электраліт можа заставацца адносна стабільным толькі пры напружаннях ніжэй за 4,8 В. Чжан і інш. даследавалі легіраванне ўсіх 3d-, 4d- і 5d-пераходных металаў у пазіцыі Ni LiNiPO4, выбралі схемы легіравання з выдатнымі электрахімічнымі характарыстыкамі і адрэгулявалі працоўнае напружанне LiNiPO4, захоўваючы пры гэтым адносную стабільнасць яго электрахімічных характарыстык. Найменшыя атрыманыя імі працоўнае напружанне склалі 4,21, 3,76 і 3,5037 для LiNiPO4, легаванага Ti, Nb і Ta, адпаведна.
Такім чынам, мэтай гэтага даследавання з'яўляецца тэарэтычнае вывучэнне ўплыву гліцэрыны як пластыфікатара на электронныя ўласцівасці, QSAR-дэскрыптары і цеплавыя ўласцівасці сістэмы PVA/NaAlg з выкарыстаннем квантава-механічных разлікаў для яе прымянення ў акумулятарных іённа-іённых батарэях. Малекулярныя ўзаемадзеянні паміж мадэллю PVA/NaAlg і гліцэрынай былі прааналізаваны з выкарыстаннем квантавай атамнай тэорыі малекул Бадэра (QTAIM).
Малекулярная мадэль, якая адлюстроўвае ўзаемадзеянне PVA з NaAlg, а затым з гліцэрынай, была аптымізавана з выкарыстаннем DFT. Мадэль была разлічана з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння Gaussian 0938 у аддзеле спектраскапіі Нацыянальнага даследчага цэнтра ў Каіры, Егіпет. Мадэлі былі аптымізаваны з выкарыстаннем DFT на ўзроўні B3LYP/6-311G(d, p) 39, 40, 41, 42. Для праверкі ўзаемадзеяння паміж вывучанымі мадэлямі, частотныя даследаванні, выкананыя на адным узроўні тэорыі, дэманструюць стабільнасць аптымізаванай геаметрыі. Адсутнасць адмоўных частот сярод усіх ацэненых частот падкрэслівае меркаваную структуру ў сапраўдных дадатных мінімумах на паверхні патэнцыяльнай энергіі. Фізічныя параметры, такія як TDM, энергія забароненай зоны HOMO/LUMO і MESP, былі разлічаны на адным квантава-механічным узроўні тэорыі. Акрамя таго, некаторыя цеплавыя параметры, такія як канчатковая цеплыня ўтварэння, свабодная энергія, энтрапія, энтальпія і цеплаёмістасць, былі разлічаны з выкарыстаннем формул, прыведзеных у табліцы 1. Даследаваныя мадэлі былі падвергнуты аналізу квантавай тэорыі атамаў у малекулах (QTAIM) для выяўлення ўзаемадзеянняў, якія адбываюцца на паверхні вывучаных структур. Гэтыя разлікі былі выкананы з выкарыстаннем каманды «output=wfn» у праграмным кодзе Gaussian 09, а затым візуалізаваны з выкарыстаннем праграмнага кода Avogadro43.
Дзе E — унутраная энергія, P — ціск, V — аб'ём, Q — цеплаабмен паміж сістэмай і навакольным асяроддзем, T — тэмпература, ΔH — змяненне энтальпіі, ΔG — змяненне свабоднай энергіі, ΔS — змяненне энтрапіі, a і b — вібрацыйныя параметры, q — зарад атама, а C — шчыльнасць электронаў атама44,45. Нарэшце, тыя ж структуры былі аптымізаваны, і параметры QSAR былі разлічаны на ўзроўні PM6 з выкарыстаннем праграмнага кода SCIGRESS46 у аддзеле спектраскапіі Нацыянальнага даследчага цэнтра ў Каіры, Егіпет.
У нашай папярэдняй працы47 мы ацанілі найбольш верагодную мадэль, якая апісвае ўзаемадзеянне трох адзінак ПВС з двума адзінкамі NaAlg, прычым гліцэрына выступае ў якасці пластыфікатара. Як ужо згадвалася вышэй, існуюць дзве магчымасці ўзаемадзеяння ПВС і NaAlg. Дзве мадэлі, пазначаныя як 3PVA-2NaAlg (на аснове вугляроднага нумара 10) і Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg, маюць найменшае значэнне энергетычнай шчыліны48 у параўнанні з іншымі разгляданымі структурамі. Такім чынам, уплыў дадання Gly на найбольш верагодную мадэль палімера сумесі ПВС/NaAlg быў даследаваны з выкарыстаннем двух апошніх структур: 3PVA-(C10)2NaAlg (для прастаты называецца 3PVA-2NaAlg) і Term 1NaAlg − 3PVA-Mid 1NaAlg. Згодна з літаратурай, ПВС, NaAlg і гліцэрына могуць утвараць толькі слабыя вадародныя сувязі паміж гідраксільнымі функцыянальнымі групамі. Паколькі як трымер PVA, так і дымер NaAlg і гліцэрыны ўтрымліваюць некалькі OH-груп, кантакт можа ажыццяўляцца праз адну з OH-груп. На малюнку 1 паказана ўзаемадзеянне паміж мадэльнай малекулай гліцэрыны і мадэльнай малекулай 3PVA-2NaAlg, а на малюнку 2 паказана пабудаваная мадэль узаемадзеяння паміж мадэльнай малекулай Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg і рознымі канцэнтрацыямі гліцэрыны.
Аптымізаваныя структуры: (a) Gly і 3PVA − 2Na Alg узаемадзейнічаюць з (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly і (f) 5 Gly.
Аптымізаваныя структуры Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg, якія ўзаемадзейнічаюць з (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly і (f) 6 Gly.
Энергія электроннай забароненай зоны з'яўляецца важным параметрам, які трэба ўлічваць пры вывучэнні рэакцыйнай здольнасці любога электроднага матэрыялу. Паколькі яна апісвае паводзіны электронаў, калі матэрыял падвяргаецца знешнім зменам. Такім чынам, неабходна ацаніць энергіі электроннай забароненай зоны HOMO/LUMO для ўсіх вывучаных структур. У табліцы 2 паказаны змены энергій HOMO/LUMO 3PVA-(C10)2NaAlg і Term 1NaAlg − 3PVA-Mid 1NaAlg з-за дадання гліцэрыны. Згодна з ref47, значэнне Eg 3PVA-(C10)2NaAlg складае 0,2908 эВ, у той час як значэнне Eg структуры, якая адлюстроўвае верагоднасць другога ўзаемадзеяння (г.зн. Term 1NaAlg − 3PVA-Mid 1NaAlg), складае 0,5706 эВ.
Аднак было выяўлена, што даданне гліцэрыны прывяло да нязначнага змянення значэння Eg 3PVA-(C10)2NaAlg. Пры ўзаемадзеянні 3PVA-(C10)2NaAlg з 1, 2, 3, 4 і 5 гліцэрынавымі адзінкамі яго значэнні Eg сталі 0,302, 0,299, 0,308, 0,289 і 0,281 эВ адпаведна. Аднак ёсць каштоўная інфармацыя, што пасля дадання 3 гліцэрынавых адзінак значэнне Eg стала меншым, чым у 3PVA-(C10)2NaAlg. Мадэль, якая прадстаўляе ўзаемадзеянне 3PVA-(C10)2NaAlg з пяццю гліцэрынавымі адзінкамі, з'яўляецца найбольш верагоднай мадэллю ўзаемадзеяння. Гэта азначае, што па меры павелічэння колькасці гліцэрынавых адзінак верагоднасць узаемадзеяння таксама павялічваецца.
Тым часам, для другой верагоднасці ўзаемадзеяння, энергіі HOMO/LUMO мадэльных малекул, якія прадстаўляюць 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 і Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg-6Gly, становяцца 1,343, 1,347, 0,976, 0,607, 0,348 і 0,496 эВ адпаведна. У табліцы 2 паказаны разлічаныя энергіі шырыні забароненай зоны HOMO/LUMO для ўсіх структур. Больш за тое, тут паўтараецца такая ж паводзіна верагоднасцей узаемадзеяння першай групы.
Зонная тэорыя ў фізіцы цвёрдага цела сцвярджае, што па меры памяншэння шырыні забароненай зоны электроднага матэрыялу яго электронная праводнасць павялічваецца. Легаванне — распаўсюджаны метад памяншэння шырыні забароненай зоны катодных матэрыялаў на аснове іёнаў натрыю. Цзян і інш. выкарыстоўвалі легаванне меддзю для паляпшэння электроннай праводнасці слаістых матэрыялаў β-NaMnO2. Выкарыстоўваючы разлікі DFT, яны выявілі, што легаванне паменшыла шырыню забароненай зоны матэрыялу з 0,7 эВ да 0,3 эВ. Гэта сведчыць аб тым, што легаванне меддзю паляпшае электронную праводнасць матэрыялу β-NaMnO2.
MESP вызначаецца як энергія ўзаемадзеяння паміж размеркаваннем малекулярнага зараду і адным станоўчым зарадам. MESP лічыцца эфектыўным інструментам для разумення і інтэрпрэтацыі хімічных уласцівасцей і рэакцыйнай здольнасці. MESP можа быць выкарыстаны для разумення механізмаў узаемадзеяння паміж палімернымі матэрыяламі. MESP апісвае размеркаванне зараду ўнутры даследаванага злучэння. Акрамя таго, MESP дае інфармацыю аб актыўных цэнтрах у даследаваных матэрыялах32. На малюнку 3 паказаны графікі MESP для 3PVA-(C10)2NaAlg, 3PVA-(C10)2NaAlg − 1Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 2Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 3Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 4Gly і 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly, прадказаныя на ўзроўні тэорыі B3LYP/6-311G(d, p).
Контуры MESP, разлічаныя з дапамогай B3LYP/6-311 g(d, p) для (a) Gly і 3PVA − 2Na Alg, якія ўзаемадзейнічаюць з (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly і (f) 5 Gly.
Тым часам на мал. 4 паказаны разліковыя вынікі MESP для 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 і Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly адпаведна. Разліковы MESP прадстаўлены ў выглядзе контурнай паводзіны. Контурныя лініі прадстаўлены рознымі колерамі. Кожны колер прадстаўляе рознае значэнне электраадмоўнасці. Чырвоны колер пазначае высокаэлектраадмоўныя або рэактыўныя ўчасткі. Жоўты колер прадстаўляе нейтральныя ўчасткі 49, 50, 51 у структуры. Вынікі MESP паказалі, што рэакцыйная здольнасць 3PVA-(C10)2Na Alg павялічвалася з павелічэннем чырвонага колеру вакол даследаваных мадэляў. У той жа час інтэнсіўнасць чырвонага колеру на карце MESP мадэльнай малекулы Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg памяншалася з-за ўзаемадзеяння з розным утрыманнем гліцэрыны. Змена размеркавання чырвонага колеру вакол прапанаванай структуры адлюстроўвае рэакцыйную здольнасць, у той час як павелічэнне інтэнсіўнасці пацвярджае павелічэнне электраадмоўнасці мадэльнай малекулы 3PVA-(C10)2Na Alg з-за павелічэння ўтрымання гліцэрыны.
B3LYP/6-311 g(d, p) разлічаны MESP-тэрмін 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, які ўзаемадзейнічае з (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly і (f) 6 Gly.
Усе прапанаваныя структуры маюць свае цеплавыя параметры, такія як энтальпія, энтрапія, цеплаёмістасць, свабодная энергія і цеплата ўтварэння, разлічаныя пры розных тэмпературах у дыяпазоне ад 200 К да 500 К. Для апісання паводзін фізічных сістэм, акрамя вывучэння іх электронных паводзін, неабходна таксама вывучыць іх цеплавыя паводзіны як функцыю тэмпературы з-за іх узаемадзеяння адзін з адным, што можна разлічыць з дапамогай ураўненняў, прыведзеных у табліцы 1. Вывучэнне гэтых цеплавых параметраў лічыцца важным паказчыкам рэакцыі і стабільнасці такіх фізічных сістэм пры розных тэмпературах.
Што тычыцца энтальпіі трымера ПВА, то спачатку ён рэагуе з дымерам NaAlg, затым праз групу OH, прывязаную да атама вугляроду № 10, і, нарэшце, з гліцэрынай. Энтальпія — гэта мера энергіі ў тэрмадынамічнай сістэме. Энтальпія роўная агульнай цеплыні ў сістэме, якая эквівалентна сумаю ўнутранай энергіі сістэмы плюс здабытак яе аб'ёму і ціску. Іншымі словамі, энтальпія паказвае, колькі цяпла і працы дадаецца да рэчыва або адводзіцца ад яго52.
На малюнку 5 паказаны змены энтальпіі падчас рэакцыі 3PVA-(C10)2NaAlg з рознымі канцэнтрацыямі гліцэрыны. Скарачэнні A0, A1, A2, A3, A4 і A5 абазначаюць мадэльныя малекулы 3PVA-(C10)2NaAlg, 3PVA-(C10)2NaAlg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 2Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 3Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 4Gly і 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly адпаведна. На малюнку 5a паказана, што энтальпія павялічваецца з павышэннем тэмпературы і ўтрымання гліцэрыны. Энтальпія структуры, якая прадстаўляе 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (г.зн. A5), пры 200 K складае 27,966 кал/моль, а энтальпія структуры, якая прадстаўляе 3PVA-2NaAlg, пры 200 K складае 13,490 кал/моль. Нарэшце, паколькі энтальпія дадатная, гэтая рэакцыя з'яўляецца эндатэрмічнай.
Энтрапія вызначаецца як мера недаступнай энергіі ў замкнёнай тэрмадынамічнай сістэме і часта разглядаецца як мера неўпарадкаванасці сістэмы. На малюнку 5b паказана змяненне энтрапіі 3PVA-(C10)2NaAlg з тэмпературай і тое, як ён узаемадзейнічае з рознымі гліцэрынавымі адзінкамі. Графік паказвае, што энтрапія змяняецца лінейна пры павышэнні тэмпературы ад 200 K да 500 K. На малюнку 5b выразна відаць, што энтрапія мадэлі 3PVA-(C10)2NaAlg імкнецца да 200 кал/К/моль пры 200 K, таму што мадэль 3PVA-(C10)2NaAlg дэманструе меншую неўпарадкаванасць рашоткі. Па меры павышэння тэмпературы мадэль 3PVA-(C10)2NaAlg становіцца неўпарадкаванай, што тлумачыць павелічэнне энтрапіі з павышэннем тэмпературы. Больш за тое, відавочна, што структура 3PVA-C10 2NaAlg-5Gly мае найвышэйшае значэнне энтрапіі.
Такая ж паводзіна назіраецца на малюнку 5c, які паказвае змяненне цеплаёмістасці з тэмпературай. Цеплаёмістасць — гэта колькасць цяпла, неабходная для змены тэмпературы зададзенай колькасці рэчыва на 1 °C47. На малюнку 5c паказаны змены цеплаёмістасці мадэльнай малекулы 3PVA-(C10)2NaAlg з-за ўзаемадзеяння з 1, 2, 3, 4 і 5 гліцэрынавымі адзінкамі. На малюнку відаць, што цеплаёмістасць мадэлі 3PVA-(C10)2NaAlg лінейна павялічваецца з тэмпературай. Назіранае павелічэнне цеплаёмістасці з павышэннем тэмпературы тлумачыцца фаноннымі цеплавымі ваганнямі. Акрамя таго, ёсць доказы таго, што павелічэнне ўтрымання гліцэрыны прыводзіць да павелічэння цеплаёмістасці мадэлі 3PVA-(C10)2NaAlg. Акрамя таго, структура паказвае, што 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly мае найвышэйшае значэнне цеплаёмістасці ў параўнанні з іншымі структурамі.
Іншыя параметры, такія як свабодная энергія і канчатковая цеплыня ўтварэння, былі разлічаны для даследаваных структур і паказаны на малюнку 5d і e адпаведна. Канчатковая цеплыня ўтварэння - гэта цяпло, якое вылучаецца або паглынаецца падчас утварэння чыстага рэчыва з яго складовых элементаў пад пастаянным ціскам. Свабодную энергію можна вызначыць як уласцівасць, падобную да энергіі, г.зн. яе значэнне залежыць ад колькасці рэчыва ў кожным тэрмадынамічным стане. Свабодная энергія і цеплыня ўтварэння 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly былі самымі нізкімі і складалі -1318,338 і -1628,154 ккал/моль адпаведна. Наадварот, структура, якая прадстаўляе 3PVA-(C10)2NaAlg, мае найвышэйшыя значэнні свабоднай энергіі і цеплыні ўтварэння -690,340 і -830,673 ккал/моль адпаведна ў параўнанні з іншымі структурамі. Як паказана на малюнку 5, розныя цеплавыя ўласцівасці змяняюцца з-за ўзаемадзеяння з гліцэрынай. Свабодная энергія Гібса адмоўная, што сведчыць аб стабільнасці прапанаванай структуры.
PM6 разлічыў цеплавыя параметры чыстага 3PVA-(C10)2NaAlg (мадэль A0), 3PVA-(C10)2NaAlg−1Gly (мадэль A1), 3PVA-(C10)2NaAlg−2Gly (мадэль A2), 3PVA-(C10)2NaAlg−3Gly (мадэль A3), 3PVA-(C10)2NaAlg−4Gly (мадэль A4) і 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly (мадэль A5), дзе (a) — энтальпія, (b) энтрапія, (c) цеплаёмістасць, (d) свабодная энергія і (e) цеплата ўтварэння.
З іншага боку, другі рэжым узаемадзеяння паміж трымерам ПВС і дымерным NaAlg адбываецца ў канцавых і сярэдніх OH-групах у структуры трымера ПВС. Як і ў першай групе, цеплавыя параметры былі разлічаны з выкарыстаннем таго ж узроўню тэорыі. На малюнках 6a-e паказаны змены энтальпіі, энтрапіі, цеплаёмістасці, свабоднай энергіі і, у рэшце рэшт, цеплыні ўтварэння. На малюнках 6a-c паказана, што энтальпія, энтрапія і цеплаёмістасць Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg праяўляюць такую ​​ж паводзіны, як і першая група, пры ўзаемадзеянні з 1, 2, 3, 4, 5 і 6 гліцэрынавымі адзінкамі. Больш за тое, іх значэнні паступова павялічваюцца з павышэннем тэмпературы. Акрамя таго, у прапанаванай мадэлі Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg значэнні энтальпіі, энтрапіі і цеплаёмістасці павялічваліся з павелічэннем утрымання гліцэрыны. Скарачэнні B0, B1, B2, B3, B4, B5 і B6 адпаведна абазначаюць наступныя структуры: Term 1 NaAlg − 3PVA- Mid 1 NaAlg, Term 1 NaAlg- 3PVA- Mid 1 NaAlg − 1 Gly, Term 1 NaAlg- 3PVA- Mid 1 NaAlg − 2gly, Term 1 NaAlg- 3PVA- Mid 1 NaAlg − 3gly, Term 1 NaAlg- 3PVA- Mid 1 NaAlg − 4 Gly, Term 1 NaAlg- 3PVA- Mid 1 NaAlg − 5 Gly і Term 1 NaAlg- 3PVA- Mid 1 NaAlg − 6 Gly. Як паказана на мал. 6a–c, відавочна, што значэнні энтальпіі, энтрапіі і цеплаёмістасці павялічваюцца па меры павелічэння колькасці гліцэрынавых адзінак ад 1 да 6.
PM6 разлічыў цеплавыя параметры чыстых Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg (мадэль B0), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 1 Gly (мадэль B1), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 2 Gly (мадэль B2), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 3 Gly (мадэль B3), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 4 Gly (мадэль B4), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 5 Gly (мадэль B5) і Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 6 Gly (мадэль B6), уключаючы (a) энтальпію, (b) энтрапію, (c) цеплаёмістасць, (d) свабодную энергію і (e) цеплыню ўтварэння.
Акрамя таго, структура, якая прадстаўляе Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg-6Gly, мае найвышэйшыя значэнні энтальпіі, энтрапіі і цеплаёмістасці ў параўнанні з іншымі структурамі. Сярод іх значэнні павялічыліся з 16,703 кал/моль, 257,990 кал/моль/К і 131,323 ккал/моль у Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg да 33,223 кал/моль, 420,038 кал/моль/К і 275,923 ккал/моль у Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg − 6Gly адпаведна.
Аднак на малюнках 6d і e паказана тэмпературная залежнасць свабоднай энергіі і канчатковай цеплыні ўтварэння (HF). HF можна вызначыць як змяненне энтальпіі, якое адбываецца, калі адзін моль рэчыва ўтвараецца з яго элементаў у натуральных і стандартных умовах. З малюнка відаць, што свабодная энергія і канчатковая цеплыня ўтварэння ўсіх вывучаных структур паказваюць лінейную залежнасць ад тэмпературы, г.зн. яны паступова і лінейна павялічваюцца з павышэннем тэмпературы. Акрамя таго, малюнак таксама пацвердзіў, што структура, якая прадстаўляе Тэрмінал 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg − 6 Gly, мае найменшую свабодную энергію і найменшую HF. Абодва параметры знізіліся з -758,337 да -899,741 К кал/моль у тэрме 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg − 6 Gly да -1 476,591 і -1 828,523 К кал/моль. З вынікаў відаць, што HF памяншаецца з павелічэннем колькасці гліцэрынавых адзінак. Гэта азначае, што з-за павелічэння колькасці функцыянальных груп рэакцыйная здольнасць таксама павялічваецца, і, такім чынам, для правядзення рэакцыі патрабуецца менш энергіі. Гэта пацвярджае, што пластыфікаваны PVA/NaAlg можа выкарыстоўвацца ў батарэях дзякуючы яго высокай рэакцыйнай здольнасці.
У цэлым, тэмпературныя ўздзеянні падзяляюцца на два тыпы: нізкатэмпературныя ўздзеянні і высокатэмпературныя ўздзеянні. Уздзеянне нізкіх тэмператур у асноўным адчуваецца ў краінах, размешчаных на высокіх шыротах, такіх як Грэнландыя, Канада і Расія. Узімку тэмпература паветра на вуліцы ў гэтых месцах значна ніжэй за нуль градусаў Цэльсія. Тэрмін службы і прадукцыйнасць літый-іённых акумулятараў могуць залежаць ад нізкіх тэмператур, асабліва тых, якія выкарыстоўваюцца ў падключаемых гібрыдных электрамабілях, чыста электрамабілях і гібрыдных электрамабілях. Касмічныя падарожжы — гэта яшчэ адно халоднае асяроддзе, якое патрабуе літый-іённых акумулятараў. Напрыклад, тэмпература на Марсе можа апусціцца да -120 градусаў Цэльсія, што стварае значную перашкоду для выкарыстання літый-іённых акумулятараў у касмічных караблях. Нізкія рабочыя тэмпературы могуць прывесці да зніжэння хуткасці пераносу зарада і хімічнай рэакцыйнай актыўнасці літый-іённых акумулятараў, што прывядзе да зніжэння хуткасці дыфузіі іонаў літыя ўнутры электрода і іоннай праводнасці ў электраліце. Гэтая дэградацыя прыводзіць да зніжэння энергаёмістасці і магутнасці, а часам нават да зніжэння прадукцыйнасці53.
Высокатэмпературны эфект узнікае ў шырокім дыяпазоне асяроддзяў прымянення, уключаючы як высокатэмпературныя, так і нізкатэмпературныя асяроддзя, у той час як нізкатэмпературны эфект у асноўным абмяжоўваецца нізкатэмпературнымі асяроддзямі прымянення. Нізкатэмпературны эфект у першую чаргу вызначаецца тэмпературай навакольнага асяроддзя, а высокатэмпературны эфект звычайна дакладней адносіцца да высокіх тэмператур унутры літый-іённага акумулятара падчас працы.
Літый-іённыя акумулятары вылучаюць цяпло пры высокіх токах (у тым ліку пры хуткай зарадцы і хуткай разрадцы), што прыводзіць да павышэння ўнутранай тэмпературы. Уздзеянне высокіх тэмператур таксама можа прывесці да пагаршэння прадукцыйнасці акумулятара, у тым ліку да страты ёмістасці і магутнасці. Як правіла, страта літыя і аднаўленне актыўных матэрыялаў пры высокіх тэмпературах прыводзяць да страты ёмістасці, а страта магутнасці звязана з павелічэннем унутранага супраціву. Калі тэмпература выходзіць з-пад кантролю, адбываецца цеплавы разгон, які ў некаторых выпадках можа прывесці да самазагарання або нават выбуху.
Разлікі QSAR — гэта вылічальны або матэматычны метад мадэлявання, які выкарыстоўваецца для вызначэння ўзаемасувязяў паміж біялагічнай актыўнасцю і структурнымі ўласцівасцямі злучэнняў. Усе распрацаваныя малекулы былі аптымізаваны, а некаторыя ўласцівасці QSAR былі разлічаны на ўзроўні PM6. У табліцы 3 пералічаны некаторыя з разлічаных дэскрыптараў QSAR. Прыкладамі такіх дэскрыптараў з'яўляюцца зарад, TDM, поўная энергія (E), патэнцыял іянізацыі (IP), log P і палярызаванасць (формулы для вызначэння IP і log P гл. у табліцы 1).
Вынікі разлікаў паказваюць, што агульны зарад усіх даследаваных структур роўны нулю, паколькі яны знаходзяцца ў асноўным стане. Для першай верагоднасці ўзаемадзеяння TDM гліцэрыны склаў 2,788 Дэбая і 6,840 Дэбая для 3PVA-(C10)2NaAlg, у той час як значэнні TDM павялічыліся да 17,990 Дэбая, 8,848 Дэбая, 5,874 Дэбая, 7,568 Дэбая і 12,779 Дэбая пры ўзаемадзеянні 3PVA-(C10)2NaAlg з 1, 2, 3, 4 і 5 адзінкамі гліцэрыны адпаведна. Чым вышэй значэнне TDM, тым вышэйшая яго рэакцыйная здольнасць з навакольным асяроддзем.
Таксама была разлічана агульная энергія (E), і значэнні E гліцэрыны і 3PVA-(C10)2 NaAlg склалі -141,833 эВ і -200092,503 эВ адпаведна. Тым часам структуры, якія прадстаўляюць 3PVA-(C10)2 NaAlg, узаемадзейнічаюць з 1, 2, 3, 4 і 5 гліцэрынавымі адзінкамі; E становіцца -996,837, -1108,440, -1238,740, -1372,075 і -1548,031 эВ адпаведна. Павелічэнне ўтрымання гліцэрыны прыводзіць да зніжэння агульнай энергіі і, такім чынам, да павелічэння рэакцыйнай здольнасці. На падставе разліку агульнай энергіі быў зроблены вывад, што мадэльная малекула, якой з'яўляецца 3PVA-2NaAlg-5 Gly, з'яўляецца больш рэакцыйнай, чым іншыя мадэльныя малекулы. Гэтая з'ява звязана з іх структурай. 3PVA-(C10)2NaAlg змяшчае толькі дзве групы -COONa, у той час як іншыя структуры ўтрымліваюць дзве групы -COONa, але нясуць некалькі груп OH, што азначае, што іх рэакцыйная здольнасць у адносінах да навакольнага асяроддзя павышана.
Акрамя таго, у гэтым даследаванні разглядаюцца энергіі іанізацыі (ІЭ) усіх структур. Энергія іанізацыі з'яўляецца важным параметрам для вымярэння рэакцыйнай здольнасці вывучаемай мадэлі. Энергія, неабходная для перамяшчэння электрона з адной кропкі малекулы ў бясконцасць, называецца энергіяй іанізацыі. Яна ўяўляе сабой ступень іанізацыі (г.зн. рэакцыйнай здольнасці) малекулы. Чым вышэй энергія іанізацыі, тым ніжэй рэакцыйная здольнасць. Вынікі ІЭ 3PVA-(C10)2NaAlg, які ўзаемадзейнічае з 1, 2, 3, 4 і 5 гліцэрынавымі адзінкамі, склалі -9,256, -9,393, -9,393, -9,248 і -9,323 эВ адпаведна, у той час як ІЭ гліцэрыны і 3PVA-(C10)2NaAlg склалі -5,157 і -9,341 эВ адпаведна. Паколькі даданне гліцэрыны прывяло да зніжэння значэння IP, малекулярная рэакцыйная здольнасць павялічылася, што паляпшае прымяненне мадэльнай малекулы PVA/NaAlg/гліцэрын у электрахімічных прыладах.
Пятым дэскрыптарам у Табліцы 3 з'яўляецца Log P, які з'яўляецца лагарыфмам каэфіцыента размеркавання і выкарыстоўваецца для апісання таго, ці з'яўляецца вывучаемая структура гідрафільнай ці гідрафобнай. Адмоўнае значэнне Log P паказвае на гідрафільную малекулу, гэта значыць, што яна лёгка раствараецца ў вадзе і дрэнна раствараецца ў арганічных растваральніках. Дадатнае значэнне паказвае на адваротны працэс.
Зыходзячы з атрыманых вынікаў, можна зрабіць выснову, што ўсе структуры з'яўляюцца гідрафільнымі, паколькі іх значэнні Log P (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly і 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) складаюць -3,537, -5,261, -6,342, -7,423 і -8,504 адпаведна, у той час як значэнне Log P гліцэрыны складае толькі -1,081, а 3PVA-(C10)2Na Alg — толькі -3,100. Гэта азначае, што ўласцівасці вывучаемай структуры будуць змяняцца па меры ўключэння малекул вады ў яе структуру.
Нарэшце, палярызавальнасць усіх структур таксама разлічваецца на ўзроўні PM6 з выкарыстаннем паўэмпірычнага метаду. Раней адзначалася, што палярызавальнасць большасці матэрыялаў залежыць ад розных фактараў. Найважнейшым фактарам з'яўляецца аб'ём даследуемай структуры. Для ўсіх структур, якія ўключаюць першы тып узаемадзеяння паміж 3PVA і 2NaAlg (узаемадзеянне адбываецца праз атам вугляроду нумар 10), палярызавальнасць паляпшаецца пры даданні гліцэрыны. Палярызавальнасць павялічваецца з 29,690 Å да 35,076, 40,665, 45,177, 50,239 і 54,638 Å з-за ўзаемадзеяння з 1, 2, 3, 4 і 5 гліцэрынавымі адзінкамі. Такім чынам, было ўстаноўлена, што мадэльнай малекулай з найвышэйшай палярызаванасцю з'яўляецца 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, а мадэльнай малекулай з найменшай палярызаванасцю — 3PVA-(C10)2NaAlg, якая складае 29,690 Å.
Ацэнка QSAR-дэскрыптараў паказала, што структура, якая прадстаўляе 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly, з'яўляецца найбольш рэакцыйнай для першага прапанаванага ўзаемадзеяння.
Для другога рэжыму ўзаемадзеяння паміж трымерам PVA і дымерам NaAlg вынікі паказваюць, што іх зарады падобныя да тых, што былі прапанаваны ў папярэднім раздзеле для першага ўзаемадзеяння. Усе структуры маюць нулявы электронны зарад, што азначае, што ўсе яны знаходзяцца ў асноўным стане.
Як паказана ў Табліцы 4, значэнні TDM (разлічаныя на ўзроўні PM6) Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg павялічыліся з 11,581 Дэбая да 15,756, 19,720, 21,756, 22,732, 15,507 і 15,756, калі Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg рэагаваў з 1, 2, 3, 4, 5 і 6 адзінкамі гліцэрыны. Аднак агульная энергія памяншаецца са павелічэннем колькасці гліцэрынавых адзінак, і калі Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg узаемадзейнічае з пэўнай колькасцю гліцэрынавых адзінак (ад 1 да 6), агульная энергія складае −996,985, −1129,013, −1267,211, −1321,775, −1418,964 і −1637,432 эВ адпаведна.
Для другой верагоднасці ўзаемадзеяння IP, Log P і палярызаванасць таксама разлічваюцца на ўзроўні тэорыі PM6. Такім чынам, яны разгледзелі тры найбольш магутныя дэскрыптары малекулярнай рэакцыйнай здольнасці. Для структур, якія прадстаўляюць End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg, якія ўзаемадзейнічаюць з 1, 2, 3, 4, 5 і 6 гліцэрынавымі адзінкамі, IP павялічваецца з −9,385 эВ да −8,946, −8,848, −8,430, −9,537, −7,997 і −8,900 эВ. Аднак разлічанае значэнне Log P было ніжэйшым з-за пластыфікацыі End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg гліцэрынам. Па меры павелічэння ўтрымання гліцэрыну з 1 да 6 яго значэнні становяцца -5,334, -6,415, -7,496, -9,096, -9,861 і -10,53 замест -3,643. Нарэшце, дадзеныя па палярызаванасці паказалі, што павелічэнне ўтрымання гліцэрыны прывяло да павелічэння палярызаванасці Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg. Палярызаванасць мадэльнай малекулы Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg павялічылася з 31,703 Å да 63,198 Å пасля ўзаемадзеяння з 6 гліцэрынавымі адзінкамі. Важна адзначыць, што павелічэнне колькасці гліцэрынавых адзінак у другой верагоднасці ўзаемадзеяння праводзіцца для пацверджання таго, што, нягледзячы на ​​вялікую колькасць атамаў і складаную структуру, прадукцыйнасць усё ж паляпшаецца са павелічэннем утрымання гліцэрыны. Такім чынам, можна сказаць, што даступная мадэль PVA/Na Alg/гліцэрын можа часткова замяніць літый-іённыя акумулятары, але неабходныя дадатковыя даследаванні і распрацоўкі.
Характарыстыка здольнасці звязвання паверхні з адсарбатам і ацэнка унікальных узаемадзеянняў паміж сістэмамі патрабуе ведання тыпу сувязі, якая існуе паміж любымі двума атамамі, складанасці міжмалекулярных і ўнутрымалекулярных узаемадзеянняў, а таксама размеркавання электроннай шчыльнасці паверхні і адсарбенту. Электронная шчыльнасць у крытычнай кропцы сувязі (BCP) паміж узаемадзейнічаючымі атамамі мае вырашальнае значэнне для ацэнкі трываласці сувязі ў QTAIM-аналізе. Чым вышэй шчыльнасць зараду электронаў, тым больш стабільнае кавалентнае ўзаемадзеянне і, у цэлым, тым вышэй шчыльнасць электронаў у гэтых крытычных кропках. Больш за тое, калі і агульная шчыльнасць энергіі электронаў (H(r)), і шчыльнасць зараду Лапласа (∇2ρ(r)) меншыя за 0, гэта сведчыць аб наяўнасці кавалентных (агульных) узаемадзеянняў. З іншага боку, калі ∇2ρ(r) і H(r) большыя за 0,54, гэта сведчыць аб наяўнасці некавалентных (замкнёнай абалонкі) узаемадзеянняў, такіх як слабыя вадародныя сувязі, сілы Ван-дэр-Ваальса і электрастатычныя ўзаемадзеянні. Аналіз QTAIM выявіў характар ​​некавалентных узаемадзеянняў у даследаваных структурах, як паказана на малюнках 7 і 8. Згодна з аналізам, мадэльныя малекулы, якія прадстаўляюць 3PVA − 2Na Alg і Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg, прадэманстравалі больш высокую стабільнасць, чым малекулы, якія ўзаемадзейнічаюць з рознымі гліцынавымі адзінкамі. Гэта звязана з тым, што шэраг некавалентных узаемадзеянняў, якія больш распаўсюджаныя ў структуры альгінату, такія як электрастатычныя ўзаемадзеянні і вадародныя сувязі, дазваляюць альгінату стабілізаваць кампазіты. Акрамя таго, нашы вынікі дэманструюць важнасць некавалентных узаемадзеянняў паміж мадэльнымі малекуламі 3PVA − 2Na Alg і Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg і гліцынам, што сведчыць аб тым, што гліцын адыгрывае важную ролю ў мадыфікацыі агульнага электроннага асяроддзя кампазітаў.
QTAIM-аналіз мадэльнай малекулы 3PVA − 2NaAlg, якая ўзаемадзейнічае з (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly і (f) 5Gly.