由分子動力學模擬樹枝狀分子型的非線性光學材料在蒙脫土平板中之交互作用行為及其對於蒙脫土之脫層行為的影響

Abstract

本論文利用全原子模型的分子動力學模擬，探討具有非線性光學性質的樹枝狀分子，在不同的熱處理環境下，其分子間的排列行為，以及其對於作為吸附載體的蒙脫土所造成的影響，協助理解造成對於非線性光學性質相當重要之脫層行為的因素。 我們分別建構了帶有G1以及G2兩種樹枝狀分子的蒙脫土二平面系統，經幾何最佳化與升溫退火過程後，在動態模擬中觀察分子之間的交互作用以及排列構形。同時，為了討論在升溫退火的過程中，降溫速率對於系統的影響，我們取用了各系統在升溫退火時在高溫下的狀態，對其直接進行等溫動態模擬，代表瞬間降溫的實驗過程。另外，我們也由各系統進行幾何最佳化以後的結果出發，跳過了升溫退火的過程，直接在兩種不同溫度下進行恆溫定容的動態模擬，除了討論升溫退火過程的影響性，也探討等溫平衡時溫度的高低，對於此一系統之模擬的影響。最後，總結了以上實驗的結果，交叉比較分子大小、熱處理過程以及溫度對於蒙脫土之脫層行為的影響性，由此歸納出產生脫層的潛在變因。 藉由系統構形的觀察、環與環堆疊距離以及平面之間的法向量夾角的分析，我們發現較大的樹枝狀分子因其在空間中的立體阻礙性，配合上π-π堆疊行為，較容易導致蒙脫土的脫層行為。另外在升溫退火過程的應用上，其效果因分子大小而異，在吸附了較小樹枝狀分子的複合材料中，升溫退火過程使得系統更不具有脫層行為的傾向，僅停留在插層的狀態。反之在吸附有大型樹枝狀分子的蒙脫土材料中，升溫退火可明顯地導致脫層行為的發生，甚以造成完全脫層的現象。如果想讓系統具有介於插層與脫層之間的狀態，可以利用調整模擬的溫度來達到目的，在吸附於複合材料上之分子足夠大的前提下，較高的溫度會導致較明顯的脫層行為發生。 本模擬實驗為實驗者提供了一系列對於蒙脫土複合材料之脫層行為的探討，協助理解造成脫層行為的主要原因，為實驗者未來在材料的設計及實驗條件的選擇上提供更多的想像空間。

This thesis employs the all-atom molecular dynamics simulation to explore the conformation of different dendrons and the effects of the behavior on montmorillonite planes in different heat treatments. The results provide assist in understanding the key factors of exfoliation behavior, which is very important in the nonlinear optical properties. We construct the two-plane MMT systems with two kind of dendrons, G1 and G2. Through geometric optimization and annealing, then observe the interactions of the molecules and their effects on the planes in the dynamic simulation. Meanwhile, in order to discuss the influences of the cooling rate, we access the high-temperature system state in the annealing process and execute the dynamic simulation directly, to represent the instantaneous cooling process. We also run dynamic simulation in two different temperatures without the annealing process, to discuss the importance of annealing and the effects of temperature. At last, we summarize the results and cross compare the effects of molecular size, heating process and temperature to the exfoliation behavior, which summed up the potential cause of exfoliation. By observing the system patterns, π-π distance and the dihedral angle of planes, we find that as the molecular size increase, the exfoliation behavior of montmorillonite plane is more likely to happen. Also, the effect of the annealing process depends on the molecular size. When the dendrons are small, annealing will make the system have less tendency to exfoliate, on the contrary, same process can cause total exfoliation behavior when the dendrons are big enough. We provide a series of discussions of the exfoliation behavior of montmorillonite composite materials, helping experimenters to understand the causes of exfoliation and offering more imaginary spaces of material designing and experiment planning.