გმადლობთ, რომ ეწვიეთ nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებულ ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ ბრაუზერის უახლესი ვერსია (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). გარდა ამისა, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, ეს საიტი არ შეიცავს სტილებს ან JavaScript-ს.
ნატრიუმის უხვი რესურსის გამო, ნატრიუმის იონური ბატარეები (NIB) ელექტროქიმიური ენერგიის შენახვის პერსპექტიულ ალტერნატიულ გადაწყვეტას წარმოადგენს. ამჟამად, NIB ტექნოლოგიის განვითარების მთავარი დაბრკოლება ელექტროდის მასალების ნაკლებობაა, რომლებსაც შეუძლიათ ნატრიუმის იონების შექცევადად შენახვა/გამოთავისუფლება დიდი ხნის განმავლობაში. ამიტომ, ამ კვლევის მიზანია თეორიულად შეისწავლოს გლიცეროლის დამატების ეფექტი პოლივინილის სპირტის (PVA) და ნატრიუმის ალგინატის (NaAlg) ნარევებზე, როგორც NIB ელექტროდის მასალებზე. ეს კვლევა ფოკუსირებულია PVA-ზე, ნატრიუმის ალგინატსა და გლიცეროლის ნარევებზე დაფუძნებული პოლიმერული ელექტროლიტების ელექტრონულ, თერმულ და რაოდენობრივ სტრუქტურა-აქტივობის ურთიერთობის (QSAR) აღწერილობებზე. ეს თვისებები გამოკვლეულია ნახევრად ემპირიული მეთოდებისა და სიმკვრივის ფუნქციონალური თეორიის (DFT) გამოყენებით. ვინაიდან სტრუქტურულმა ანალიზმა გამოავლინა PVA/ალგინატსა და გლიცეროლს შორის ურთიერთქმედების დეტალები, გამოკვლეული იქნა ზონის უფსკრულის ენერგია (Eg). შედეგები აჩვენებს, რომ გლიცეროლის დამატება იწვევს Eg მნიშვნელობის შემცირებას 0.2814 eV-მდე. მოლეკულური ელექტროსტატიკური პოტენციური ზედაპირი (MESP) აჩვენებს ელექტრონებით მდიდარი და ელექტრონებით ღარიბი რეგიონების და მოლეკულური მუხტების განაწილებას მთელ ელექტროლიტურ სისტემაში. შესწავლილი თერმული პარამეტრები მოიცავს ენთალპიას (H), ენტროპიას (ΔS), თბოტევადობას (Cp), გიბსის თავისუფალ ენერგიას (G) და წარმოქმნის სითბოს. გარდა ამისა, ამ კვლევაში გამოკვლეული იქნა სტრუქტურა-აქტივობის რამდენიმე რაოდენობრივი ურთიერთობის (QSAR) აღმწერი, როგორიცაა დიპოლური მომენტის სრული ცვალებადობა (TDM), ენერგიას სრული ცვალებადობა (E), იონიზაციის პოტენციალის სრული ცვალებადობა (IP), Log P და პოლარიზებადობა. შედეგებმა აჩვენა, რომ H, ΔS, Cp, G და TDM იზრდებოდა ტემპერატურისა და გლიცეროლის შემცველობის მატებასთან ერთად. ამასობაში, წარმოქმნის სითბო, IP და E შემცირდა, რამაც გააუმჯობესა რეაქტიულობა და პოლარიზებადობა. გარდა ამისა, გლიცეროლის დამატებით, უჯრედის ძაბვა გაიზარდა 2.488 ვოლტამდე. ეკონომიური PVA/Na Alg გლიცეროლზე დაფუძნებული ელექტროლიტების საფუძველზე ჩატარებული DFT და PM6 გამოთვლები აჩვენებს, რომ მათ შეუძლიათ ნაწილობრივ ჩაანაცვლონ ლითიუმ-იონური ბატარეები მათი მრავალფუნქციურობის გამო, მაგრამ საჭიროა შემდგომი გაუმჯობესება და კვლევა.
მიუხედავად იმისა, რომ ლითიუმ-იონური აკუმულატორები (LIB) ფართოდ გამოიყენება, მათი გამოყენება მრავალი შეზღუდვის წინაშე დგას მათი მოკლე ციკლის, მაღალი ღირებულებისა და უსაფრთხოების საკითხების გამო. ნატრიუმის იონური აკუმულატორები (SIB) შეიძლება გახდეს LIB-ების სიცოცხლისუნარიანი ალტერნატივა მათი ფართო ხელმისაწვდომობის, დაბალი ღირებულებისა და ნატრიუმის ელემენტის არატოქსიკურობის გამო. ნატრიუმის იონური აკუმულატორები (SIB) სულ უფრო მნიშვნელოვანი ენერგიის შენახვის სისტემა ხდება ელექტროქიმიური მოწყობილობებისთვის1. ნატრიუმის იონური აკუმულატორები მნიშვნელოვნად არიან დამოკიდებული ელექტროლიტებზე იონების ტრანსპორტირების ხელშეწყობისა და ელექტრული დენის გენერირებისთვის2,3. თხევადი ელექტროლიტები ძირითადად შედგება ლითონის მარილებისა და ორგანული გამხსნელებისგან. პრაქტიკული გამოყენება მოითხოვს თხევადი ელექტროლიტების უსაფრთხოების ფრთხილად განხილვას, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც აკუმულატორი ექვემდებარება თერმულ ან ელექტრულ დატვირთვას4.
ნატრიუმის იონური აკუმულატორები (SIB) სავარაუდოდ უახლოეს მომავალში ლითიუმ-იონურ აკუმულატორებს ჩაანაცვლებს მათი ოკეანის უხვი მარაგების, არატოქსიკურობისა და დაბალი ღირებულების გამო. ნანომასალების სინთეზმა დააჩქარა მონაცემთა შენახვის, ელექტრონული და ოპტიკური მოწყობილობების განვითარება. ლიტერატურის დიდმა რაოდენობამ აჩვენა სხვადასხვა ნანოსტრუქტურების (მაგ., ლითონის ოქსიდების, გრაფენის, ნანომილაკების და ფულერენების) გამოყენება ნატრიუმის იონურ აკუმულატორებში. კვლევა ფოკუსირებულია ანოდური მასალების, მათ შორის პოლიმერების, შემუშავებაზე ნატრიუმის იონური აკუმულატორებისთვის მათი მრავალფეროვნებისა და გარემოსდაცვითი კეთილდღეობის გამო. დატენვადი პოლიმერული აკუმულატორების სფეროში კვლევითი ინტერესი უდავოდ გაიზრდება. უნიკალური სტრუქტურებისა და თვისებების მქონე ახალი პოლიმერული ელექტროდის მასალები, სავარაუდოდ, გზას გაუხსნის ეკოლოგიურად სუფთა ენერგიის შენახვის ტექნოლოგიებს. მიუხედავად იმისა, რომ ნატრიუმის იონურ აკუმულატორებში გამოსაყენებლად სხვადასხვა პოლიმერული ელექტროდის მასალა იქნა შესწავლილი, ეს სფერო ჯერ კიდევ განვითარების ადრეულ ეტაპზეა. ნატრიუმის იონური აკუმულატორებისთვის საჭიროა სხვადასხვა სტრუქტურული კონფიგურაციის მქონე მეტი პოლიმერული მასალის შესწავლა. პოლიმერული ელექტროდის მასალებში ნატრიუმის იონების შენახვის მექანიზმის შესახებ ჩვენს ამჟამინდელ ცოდნაზე დაყრდნობით, შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ კონიუგირებულ სისტემაში კარბონილის ჯგუფები, თავისუფალი რადიკალები და ჰეტეროატომები შეიძლება წარმოადგენდნენ ნატრიუმის იონებთან ურთიერთქმედების აქტიურ ცენტრებს. ამიტომ, კრიტიკულად მნიშვნელოვანია ახალი პოლიმერების შემუშავება ამ აქტიური ცენტრების მაღალი სიმკვრივით. გელის პოლიმერული ელექტროლიტი (GPE) არის ალტერნატიული ტექნოლოგია, რომელიც აუმჯობესებს ბატარეის საიმედოობას, იონურ გამტარობას, გაჟონვის არარსებობას, მაღალ მოქნილობას და კარგ მუშაობას12.
პოლიმერული მატრიცები მოიცავს ისეთ მასალებს, როგორიცაა PVA და პოლიეთილენოქსიდი (PEO)13. გელის გამტარი პოლიმერი (GPE) ახდენს თხევადი ელექტროლიტის იმობილიზაციას პოლიმერულ მატრიცაში, რაც ამცირებს გაჟონვის რისკს კომერციულ სეპარატორებთან შედარებით14. PVA არის სინთეზური ბიოდეგრადირებადი პოლიმერი. მას აქვს მაღალი დიელექტრიკული შეღწევადობა, არის იაფი და არატოქსიკური. მასალა ცნობილია აპკის წარმომქმნელი თვისებებით, ქიმიური სტაბილურობითა და ადჰეზიით. მას ასევე აქვს ფუნქციური (OH) ჯგუფები და მაღალი ჯვარედინი შეკავშირების პოტენციური სიმკვრივე15,16,17. პოლიმერის შერევა, პლასტიზატორის დამატება, კომპოზიტის დამატება და ადგილზე პოლიმერიზაციის ტექნიკა გამოყენებულია PVA-ზე დაფუძნებული პოლიმერული ელექტროლიტების გამტარობის გასაუმჯობესებლად, მატრიცის კრისტალურობის შესამცირებლად და ჯაჭვის მოქნილობის გასაზრდელად18,19,20.
შერევა მნიშვნელოვანი მეთოდია სამრეწველო გამოყენებისთვის პოლიმერული მასალების შესამუშავებლად. პოლიმერული ნარევები ხშირად გამოიყენება: (1) სამრეწველო გამოყენებისას ბუნებრივი პოლიმერების დამუშავების თვისებების გასაუმჯობესებლად; (2) ბიოდეგრადირებადი მასალების ქიმიური, ფიზიკური და მექანიკური თვისებების გასაუმჯობესებლად; და (3) საკვების შესაფუთი ინდუსტრიაში ახალი მასალების სწრაფად ცვალებად მოთხოვნასთან ადაპტაციისთვის. კოპოლიმერიზაციისგან განსხვავებით, პოლიმერების შერევა დაბალფასიანი პროცესია, რომელიც სასურველი თვისებების მისაღწევად რთული ქიმიური პროცესების ნაცვლად მარტივ ფიზიკურ პროცესებს იყენებს21. ჰომოპოლიმერების ფორმირებისთვის, სხვადასხვა პოლიმერს შეუძლია ურთიერთქმედება დიპოლ-დიპოლური ძალების, წყალბადის ბმების ან მუხტის გადაცემის კომპლექსების მეშვეობით22,23. ბუნებრივი და სინთეზური პოლიმერებისგან დამზადებულ ნარევებს შეუძლიათ კარგი ბიოშეთავსებადობის შერწყმა შესანიშნავ მექანიკურ თვისებებთან, რაც ქმნის უმაღლეს მასალას დაბალი წარმოების ღირებულებით24,25. ამიტომ, დიდი ინტერესია ბიოშესაბამისი პოლიმერული მასალების შექმნის მიმართ სინთეზური და ბუნებრივი პოლიმერების შერევით. PVA შეიძლება გაერთიანდეს ნატრიუმის ალგინატთან (NaAlg), ცელულოზასთან, ქიტოზანთან და სახამებელთან26.
ნატრიუმის ალგინატი არის ბუნებრივი პოლიმერი და ანიონური პოლისაქარიდი, რომელიც მიიღება ზღვის ყავისფერი წყალმცენარეებიდან. ნატრიუმის ალგინატი შედგება β-(1-4)-შეკავშირებული D-მანურონის მჟავის (M) და α-(1-4)-შეკავშირებული L-გულურონის მჟავის (G)გან, რომლებიც ორგანიზებულია ჰომოპოლიმერულ ფორმებად (პოლი-M და პოლი-G) და ჰეტეროპოლიმერულ ბლოკებად (MG ან GM)27. M და G ბლოკების შემცველობა და ფარდობითი თანაფარდობა მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ალგინატის ქიმიურ და ფიზიკურ თვისებებზე28,29. ნატრიუმის ალგინატი ფართოდ გამოიყენება და შესწავლილია მისი ბიოდეგრადირებადობის, ბიოშეთავსებადობის, დაბალი ღირებულების, კარგი აპკის წარმოქმნის თვისებების და არატოქსიკურობის გამო. თუმცა, ალგინატის ჯაჭვში თავისუფალი ჰიდროქსილის (OH) და კარბოქსილატის (COO) ჯგუფების დიდი რაოდენობა ალგინატს მაღალ ჰიდროფილურს ხდის. თუმცა, ალგინატს აქვს ცუდი მექანიკური თვისებები მისი სიმყიფისა და სიმტკიცის გამო. ამიტომ, ალგინატის შერწყმა შესაძლებელია სხვა სინთეზურ მასალებთან წყლის მიმართ მგრძნობელობისა და მექანიკური თვისებების გასაუმჯობესებლად30,31.
ახალი ელექტროდის მასალების შექმნამდე, DFT გამოთვლები ხშირად გამოიყენება ახალი მასალების დამზადების მიზანშეწონილობის შესაფასებლად. გარდა ამისა, მეცნიერები იყენებენ მოლეკულურ მოდელირებას ექსპერიმენტული შედეგების დასადასტურებლად და პროგნოზირებისთვის, დროის დაზოგვისთვის, ქიმიური ნარჩენების შესამცირებლად და ურთიერთქმედების ქცევის პროგნოზირებისთვის32. მოლეკულური მოდელირება გახდა მეცნიერების ძლიერი და მნიშვნელოვანი დარგი მრავალ სფეროში, მათ შორის მასალათმცოდნეობაში, ნანომასალებებში, გამოთვლით ქიმიასა და წამლების აღმოჩენაში33,34. მოდელირების პროგრამების გამოყენებით, მეცნიერებს შეუძლიათ პირდაპირ მიიღონ მოლეკულური მონაცემები, მათ შორის ენერგია (წარმოქმნის სითბო, იონიზაციის პოტენციალი, აქტივაციის ენერგია და ა.შ.) და გეომეტრია (ბმის კუთხეები, ბმის სიგრძეები და ბრუნვის კუთხეები)35. გარდა ამისა, შესაძლებელია ელექტრონული თვისებების (მუხტი, HOMO და LUMO ზონის უფსკრულის ენერგია, ელექტრონული აფინურობა), სპექტრული თვისებების (დამახასიათებელი ვიბრაციული რეჟიმები და ინტენსივობები, როგორიცაა FTIR სპექტრები) და მოცულობითი თვისებების (მოცულობა, დიფუზია, სიბლანტე, მოდული და ა.შ.)36 გამოთვლა.
LiNiPO4-ს აქვს პოტენციური უპირატესობები ლითიუმ-იონური ბატარეის დადებითი ელექტროდის მასალებთან კონკურენციაში მისი მაღალი ენერგიის სიმკვრივის გამო (დაახლოებით 5.1 ვ სამუშაო ძაბვა). მაღალი ძაბვის რეგიონში LiNiPO4-ის უპირატესობის სრულად გამოსაყენებლად, სამუშაო ძაბვა უნდა შემცირდეს, რადგან ამჟამად შემუშავებული მაღალი ძაბვის ელექტროლიტი შედარებით სტაბილური რჩება მხოლოდ 4.8 ვ-ზე დაბალ ძაბვაზე. ჟანგმა და სხვებმა გამოიკვლიეს ყველა 3d, 4d და 5d გარდამავალი ლითონების დოპირება LiNiPO4-ის Ni უბანში, შეარჩიეს დოპირების ნიმუშები შესანიშნავი ელექტროქიმიური მახასიათებლებით და დაარეგულირეს LiNiPO4-ის სამუშაო ძაბვა მისი ელექტროქიმიური მახასიათებლების ფარდობითი სტაბილურობის შენარჩუნებით. მათ მიერ მიღებული ყველაზე დაბალი სამუშაო ძაბვები იყო 4.21, 3.76 და 3.5037 შესაბამისად Ti, Nb და Ta-დოპირებული LiNiPO4-ისთვის.
ამრიგად, ამ კვლევის მიზანია გლიცეროლის, როგორც პლასტიფიკატორის, თეორიულად გამოკვლეული იქნას PVA/NaAlg სისტემის ელექტრონულ თვისებებზე, QSAR აღწერილობებსა და თერმულ თვისებებზე გლიცეროლის, როგორც პლასტიფიკატორის, ეფექტი კვანტური მექანიკური გამოთვლების გამოყენებით, დატენვად იონურ-იონურ ბატარეებში მისი გამოყენებისთვის. PVA/NaAlg მოდელსა და გლიცეროლს შორის მოლეკულური ურთიერთქმედებები გაანალიზდა ბადერის მოლეკულების კვანტური ატომური თეორიის (QTAIM) გამოყენებით.
PVA-ს NaAlg-თან და შემდეგ გლიცეროლთან ურთიერთქმედების ამსახველი მოლეკულური მოდელი ოპტიმიზირებული იქნა DFT-ის გამოყენებით. მოდელი გამოითვალა Gaussian 0938 პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით სპექტროსკოპიის განყოფილებაში, ეროვნული კვლევითი ცენტრი, კაირო, ეგვიპტე. მოდელები ოპტიმიზირებული იქნა DFT-ის გამოყენებით B3LYP/6-311G(d, p) დონეზე39,40,41,42. შესწავლილ მოდელებს შორის ურთიერთქმედების დასადასტურებლად, თეორიის ერთსა და იმავე დონეზე ჩატარებული სიხშირის კვლევები აჩვენებს ოპტიმიზებული გეომეტრიის სტაბილურობას. ყველა შეფასებულ სიხშირეს შორის უარყოფითი სიხშირეების არარსებობა ხაზს უსვამს პოტენციური ენერგიის ზედაპირზე ნამდვილ დადებით მინიმუმებში დაშვებულ სტრუქტურას. ფიზიკური პარამეტრები, როგორიცაა TDM, HOMO/LUMO ზოლის უფსკრულის ენერგია და MESP, გამოითვალა თეორიის ერთსა და იმავე კვანტურ-მექანიკურ დონეზე. გარდა ამისა, ცხრილ 1-ში მოცემული ფორმულების გამოყენებით გამოითვალა ზოგიერთი თერმული პარამეტრი, როგორიცაა ფორმირების საბოლოო სითბო, თავისუფალი ენერგია, ენტროპია, ენთალპია და სითბოტევადობა. შესწავლილი მოდელები დაექვემდებარა მოლეკულებში ატომების კვანტური თეორიის (QTAIM) ანალიზს, რათა გამოვლენილიყო შესწავლილი სტრუქტურების ზედაპირზე მიმდინარე ურთიერთქმედებები. ეს გამოთვლები შესრულდა Gaussian 09 პროგრამული კოდის „output=wfn“ ბრძანების გამოყენებით და შემდეგ ვიზუალიზებული იქნა Avogadro პროგრამული კოდის გამოყენებით43.
სადაც E არის შინაგანი ენერგია, P არის წნევა, V არის მოცულობა, Q არის სითბოს გაცვლა სისტემასა და მის გარემოს შორის, T არის ტემპერატურა, ΔH არის ენთალპიის ცვლილება, ΔG არის თავისუფალი ენერგიის ცვლილება, ΔS არის ენტროპიის ცვლილება, a და b არის ვიბრაციული პარამეტრები, q არის ატომური მუხტი და C არის ატომური ელექტრონული სიმკვრივე44,45. და ბოლოს, იგივე სტრუქტურები ოპტიმიზირებული იქნა და QSAR პარამეტრები გამოითვალა PM6 დონეზე SCIGRESS პროგრამული კოდის46 გამოყენებით, ეროვნული კვლევითი ცენტრის სპექტროსკოპიის განყოფილებაში, კაიროში, ეგვიპტე.
ჩვენს წინა ნაშრომში47, ჩვენ შევაფასეთ ყველაზე სავარაუდო მოდელი, რომელიც აღწერს სამი PVA ერთეულის ურთიერთქმედებას ორ NaAlg ერთეულთან, სადაც გლიცეროლი მოქმედებს როგორც პლასტიზატორი. როგორც ზემოთ აღინიშნა, PVA-სა და NaAlg-ს ურთიერთქმედების ორი შესაძლებლობა არსებობს. ორ მოდელს, რომლებიც დანიშნულია როგორც 3PVA-2Na Alg (ნახშირბადის ნომრის 10 მიხედვით) და ტერმინი 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, აქვთ ყველაზე მცირე ენერგეტიკული ხარვეზის მნიშვნელობა48 განხილულ სხვა სტრუქტურებთან შედარებით. ამიტომ, Gly-ს დამატების გავლენა PVA/Na Alg ნარევის პოლიმერის ყველაზე სავარაუდო მოდელზე გამოკვლეული იქნა ბოლო ორი სტრუქტურის გამოყენებით: 3PVA-(C10)2Na Alg (გამარტივებისთვის მოხსენიებული, როგორც 3PVA-2Na Alg) და ტერმინი 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. ლიტერატურის მიხედვით, PVA-ს, NaAlg-ს და გლიცეროლს შეუძლიათ მხოლოდ სუსტი წყალბადური ბმების წარმოქმნა ჰიდროქსილის ფუნქციურ ჯგუფებს შორის. ვინაიდან როგორც PVA ტრიმერი, ასევე NaAlg-ისა და გლიცეროლის დიმერი შეიცავს რამდენიმე OH ჯგუფს, კონტაქტის განხორციელება შესაძლებელია OH ჯგუფებიდან ერთ-ერთის მეშვეობით. სურათი 1 გვიჩვენებს გლიცეროლის მოდელურ მოლეკულასა და 3PVA-2Na Alg მოდელურ მოლეკულას შორის ურთიერთქმედებას, ხოლო სურათი 2 გვიჩვენებს მოდელურ მოლეკულას Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg-სა და გლიცეროლის სხვადასხვა კონცენტრაციას შორის ურთიერთქმედების აგებულ მოდელს.
ოპტიმიზირებული სტრუქტურები: (ა) Gly და 3PVA − 2Na Alg ურთიერთქმედებენ (ბ) 1 Gly-სთან, (გ) 2 Gly-სთან, (დ) 3 Gly-სთან, (ე) 4 Gly-სთან და (ვ) 5 Gly-სთან.
Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg-ის ოპტიმიზებული სტრუქტურები, რომლებიც ურთიერთქმედებენ (ა) 1 Gly-თან, (ბ) 2 Gly-თან, (გ) 3 Gly-თან, (დ) 4 Gly-თან, (ე) 5 Gly-თან და (ვ) 6 Gly-სთან.
ელექტრონული ზონის უფსკრულის ენერგია მნიშვნელოვანი პარამეტრია, რომელიც გასათვალისწინებელია ნებისმიერი ელექტროდის მასალის რეაქტიულობის შესწავლისას. რადგან ის აღწერს ელექტრონების ქცევას, როდესაც მასალა ექვემდებარება გარე ცვლილებებს. ამიტომ, აუცილებელია შეფასდეს HOMO/LUMO-ს ელექტრონული ზონის უფსკრულის ენერგიები ყველა შესწავლილი სტრუქტურისთვის. ცხრილი 2 აჩვენებს 3PVA-(C10)2Na Alg-ის და Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg-ის HOMO/LUMO ენერგიების ცვლილებებს გლიცეროლის დამატების გამო. ref47-ის მიხედვით, 3PVA-(C10)2Na Alg-ის Eg მნიშვნელობა არის 0.2908 eV, ხოლო მეორე ურთიერთქმედების ალბათობის ამსახველი სტრუქტურის Eg მნიშვნელობა (ანუ Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) არის 0.5706 eV.
თუმცა, აღმოჩნდა, რომ გლიცეროლის დამატებამ 3PVA-(C10)2Na Alg-ის Eg მნიშვნელობის უმნიშვნელო ცვლილება გამოიწვია. როდესაც 3PVA-(C10)2NaAlg ურთიერთქმედებდა 1, 2, 3, 4 და 5 გლიცეროლის ერთეულთან, მისი Eg მნიშვნელობები შესაბამისად 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 და 0.281 eV გახდა. თუმცა, არსებობს ღირებული დასკვნა, რომ 3 გლიცეროლის ერთეულის დამატების შემდეგ, Eg მნიშვნელობა უფრო მცირე გახდა, ვიდრე 3PVA-(C10)2Na Alg-ის. 3PVA-(C10)2Na Alg-ის ხუთ გლიცეროლის ერთეულთან ურთიერთქმედების ამსახველი მოდელი ყველაზე სავარაუდო ურთიერთქმედების მოდელია. ეს ნიშნავს, რომ გლიცეროლის ერთეულების რაოდენობის ზრდასთან ერთად, ურთიერთქმედების ალბათობაც იზრდება.
ამასობაში, ურთიერთქმედების მეორე ალბათობისთვის, მოდელის მოლეკულების HOMO/LUMO ენერგიები, რომლებიც წარმოადგენენ შემდეგ ტერმინებს: 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 და 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg-6Gly, შესაბამისად, 1.343, 1.34 ± 1, 0.976, 0.607, 0.348 და 0.496 eV, ხდება. ცხრილი 2 აჩვენებს ყველა სტრუქტურისთვის გამოთვლილ HOMO/LUMO ზონური უფსკრულის ენერგიებს. უფრო მეტიც, პირველი ჯგუფის ურთიერთქმედების ალბათობების იგივე ქცევა აქ მეორდება.
მყარი მდგომარეობის ფიზიკაში ზოლების თეორია ამტკიცებს, რომ ელექტროდის მასალის ზოლური უფსკრულის შემცირებასთან ერთად, მასალის ელექტრონული გამტარობა იზრდება. დოპირება ნატრიუმის იონური კათოდური მასალების ზოლური უფსკრულის შესამცირებლად გავრცელებული მეთოდია. ჯიანგმა და სხვებმა გამოიყენეს სპილენძის დოპირება β-NaMnO2 ფენიანი მასალების ელექტრონული გამტარობის გასაუმჯობესებლად. DFT გამოთვლების გამოყენებით, მათ აღმოაჩინეს, რომ დოპირებამ შეამცირა მასალის ზოლური უფსკრული 0.7 eV-დან 0.3 eV-მდე. ეს მიუთითებს, რომ სპილენძის დოპირება აუმჯობესებს β-NaMnO2 მასალის ელექტრონულ გამტარობას.
MESP განისაზღვრება, როგორც მოლეკულური მუხტის განაწილებასა და ერთ დადებით მუხტს შორის ურთიერთქმედების ენერგია. MESP ქიმიური თვისებებისა და რეაქტიულობის გასაგებად და ინტერპრეტაციისთვის ეფექტურ ინსტრუმენტად ითვლება. MESP შეიძლება გამოყენებულ იქნას პოლიმერულ მასალებს შორის ურთიერთქმედების მექანიზმების გასაგებად. MESP აღწერს მუხტის განაწილებას შესწავლილ ნაერთში. გარდა ამისა, MESP გვაწვდის ინფორმაციას შესწავლილ მასალებში აქტიური ცენტრების შესახებ32. სურათი 3 გვიჩვენებს 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly და 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly MESP დიაგრამებს, რომლებიც პროგნოზირებულია თეორიის B3LYP/6-311G(d, p) დონეზე.
MESP კონტურები გამოთვლილია B3LYP/6-311 g(d, p)-ით (ა) Gly-სა და 3PVA − 2Na Alg-ისთვის, რომლებიც ურთიერთქმედებენ (ბ) 1 Gly-თან, (გ) 2 Gly-თან, (დ) 3 Gly-თან, (ე) 4 Gly-თან და (ვ) 5 Gly-სთან.
ამასობაში, ნახ. 4 გვიჩვენებს MESP-ის გამოთვლილ შედეგებს შემდეგი ტერმინებისთვის: 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 და 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly. გამოთვლილი MESP წარმოდგენილია კონტურული ქცევის სახით. კონტურული ხაზები წარმოდგენილია სხვადასხვა ფერით. თითოეული ფერი წარმოადგენს ელექტროუარყოფითობის განსხვავებულ მნიშვნელობას. წითელი ფერი მიუთითებს მაღალ ელექტროუარყოფით ან რეაქტიულ უბნებზე. ამავდროულად, ყვითელი ფერი წარმოადგენს სტრუქტურაში ნეიტრალურ უბნებს 49, 50, 51. MESP შედეგებმა აჩვენა, რომ 3PVA-(C10)2Na Alg-ის რეაქტიულობა იზრდებოდა შესწავლილი მოდელების გარშემო წითელი ფერის მატებასთან ერთად. ამავდროულად, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg მოდელის მოლეკულის MESP რუკაში წითელი ფერის ინტენსივობა მცირდება გლიცეროლის სხვადასხვა შემცველობასთან ურთიერთქმედების გამო. შემოთავაზებული სტრუქტურის გარშემო წითელი ფერის განაწილების ცვლილება ასახავს რეაქტიულობას, ხოლო ინტენსივობის ზრდა ადასტურებს 3PVA-(C10)2Na Alg მოდელის მოლეკულის ელექტროუარყოფითობის ზრდას გლიცეროლის შემცველობის ზრდის გამო.
B3LYP/6-311 g(d, p) 1Na Alg-3PVA-Mid-ის გამოთვლილი MESP ტერმინი. 1Na Alg ურთიერთქმედებს (a) 1 Gly-თან, (b) 2 Gly-თან, (c) 3 Gly-თან, (d) 4 Gly-თან, (e) 5 Gly-თან და (f) 6 Gly-სთან.
ყველა შემოთავაზებულ სტრუქტურას აქვს თერმული პარამეტრები, როგორიცაა ენთალპია, ენტროპია, სითბოტევადობა, თავისუფალი ენერგია და წარმოქმნის სითბო, რომლებიც გამოითვლება სხვადასხვა ტემპერატურაზე 200 K-დან 500 K-მდე დიაპაზონში. ფიზიკური სისტემების ქცევის აღსაწერად, მათი ელექტრონული ქცევის შესწავლის გარდა, აუცილებელია მათი თერმული ქცევის შესწავლა ტემპერატურის ფუნქციის სახით, ერთმანეთთან ურთიერთქმედების გამო, რომლის გამოთვლა შესაძლებელია ცხრილში 1 მოცემული განტოლებების გამოყენებით. ამ თერმული პარამეტრების შესწავლა ითვლება ასეთი ფიზიკური სისტემების რეაგირებისა და სტაბილურობის მნიშვნელოვან ინდიკატორად სხვადასხვა ტემპერატურაზე.
რაც შეეხება PVA ტრიმერის ენთალპიას, ის თავდაპირველად რეაგირებს NaAlg დიმერთან, შემდეგ ნახშირბადის ატომ #10-თან მიერთებულ OH ჯგუფთან და ბოლოს გლიცეროლთან. ენთალპია თერმოდინამიკურ სისტემაში ენერგიის საზომია. ენთალპია უდრის სისტემაში არსებულ მთლიან სითბოს, რაც უდრის სისტემის შინაგან ენერგიას პლუს მისი მოცულობისა და წნევის ნამრავლი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ენთალპია გვიჩვენებს, თუ რამდენი სითბო და სამუშაო ემატება ან აშორებს ნივთიერებას52.
სურათი 5 გვიჩვენებს ენთალპიის ცვლილებებს 3PVA-(C10)2Na Alg-ის რეაქციის დროს გლიცეროლის სხვადასხვა კონცენტრაციით. აბრევიატურები A0, A1, A2, A3, A4 და A5 წარმოადგენს მოდელის მოლეკულებს 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 და 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly, შესაბამისად. სურათი 5ა გვიჩვენებს, რომ ენთალპია იზრდება ტემპერატურისა და გლიცეროლის შემცველობის მატებასთან ერთად. 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (ანუ A5)-ის წარმომადგენელი სტრუქტურის ენთალპია 200 K ტემპერატურაზე 27.966 კალ/მოლია, ხოლო 3PVA-2NaAlg-ის წარმომადგენელი სტრუქტურის ენთალპია 200 K ტემპერატურაზე 13.490 კალ/მოლია. და ბოლოს, რადგან ენთალპია დადებითია, ეს რეაქცია ენდოთერმულია.
ენტროპია განისაზღვრება, როგორც დახურულ თერმოდინამიკურ სისტემაში მიუწვდომელი ენერგიის საზომი და ხშირად განიხილება, როგორც სისტემის არეულობის საზომი. სურათი 5b გვიჩვენებს 3PVA-(C10)2NaAlg-ის ენტროპიის ცვლილებას ტემპერატურასთან და იმას, თუ როგორ ურთიერთქმედებს ის სხვადასხვა გლიცეროლის ერთეულებთან. გრაფიკი აჩვენებს, რომ ენტროპია წრფივად იცვლება ტემპერატურის 200 K-დან 500 K-მდე მატებასთან ერთად. სურათი 5b ნათლად აჩვენებს, რომ 3PVA-(C10)2Na Alg მოდელის ენტროპია 200 K ტემპერატურაზე 200 კალ/კ/მოლ-ისკენ იხრება, რადგან 3PVA-(C10)2Na Alg მოდელი ნაკლებ არეულობას ავლენს. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, 3PVA-(C10)2Na Alg მოდელი არეულობის ზღვარზე გადადის, რაც ხსნის ენტროპიის ზრდას ტემპერატურის მატებასთან ერთად. უფრო მეტიც, აშკარაა, რომ 3PVA-C10 2Na Alg-5 Gly-ის სტრუქტურას აქვს ყველაზე მაღალი ენტროპიის მნიშვნელობა.
იგივე ქცევა შეინიშნება ნახაზ 5გ-ში, რომელიც გვიჩვენებს სითბოტევადობის ცვლილებას ტემპერატურასთან ერთად. სითბოტევადობა არის სითბოს რაოდენობა, რომელიც საჭიროა ნივთიერების მოცემული რაოდენობის ტემპერატურის 1°C47-ით შესაცვლელად. ნახაზ 5გ-ზე ნაჩვენებია მოდელის მოლეკულის 3PVA-(C10)2NaAlg სითბოტევადობის ცვლილებები 1, 2, 3, 4 და 5 გლიცეროლის ერთეულებთან ურთიერთქმედების გამო. ნახაზზე ნაჩვენებია, რომ მოდელის 3PVA-(C10)2NaAlg სითბოტევადობა წრფივად იზრდება ტემპერატურასთან ერთად. ტემპერატურის მატებასთან ერთად სითბოტევადობის დაკვირვებული ზრდა ფონონურ თერმულ ვიბრაციებს მიეწერება. გარდა ამისა, არსებობს მტკიცებულება, რომ გლიცეროლის შემცველობის გაზრდა იწვევს მოდელის 3PVA-(C10)2NaAlg სითბოტევადობის ზრდას. გარდა ამისა, სტრუქტურა აჩვენებს, რომ 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly-ს სხვა სტრუქტურებთან შედარებით ყველაზე მაღალი სითბოტევადობა აქვს.
სხვა პარამეტრები, როგორიცაა თავისუფალი ენერგია და ფორმირების საბოლოო სითბო, გამოითვალა შესწავლილი სტრუქტურებისთვის და ნაჩვენებია შესაბამისად 5d და e ნახაზებზე. ფორმირების საბოლოო სითბო არის სითბო, რომელიც გამოიყოფა ან შეიწოვება სუფთა ნივთიერების ფორმირების დროს მისი შემადგენელი ელემენტებიდან მუდმივი წნევის ქვეშ. თავისუფალი ენერგია შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ენერგიის მსგავსი თვისება, ანუ მისი მნიშვნელობა დამოკიდებულია თითოეულ თერმოდინამიკურ მდგომარეობაში ნივთიერების რაოდენობაზე. 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly-ის თავისუფალი ენერგია და ფორმირების სითბო ყველაზე დაბალი იყო და შესაბამისად -1318.338 და -1628.154 კკალ/მოლ იყო. ამის საპირისპიროდ, 3PVA-(C10)2NaAlg-ის წარმომადგენელ სტრუქტურას აქვს თავისუფალი ენერგიისა და ფორმირების სითბოს ყველაზე მაღალი მნიშვნელობები, შესაბამისად -690.340 და -830.673 კკალ/მოლ, სხვა სტრუქტურებთან შედარებით. როგორც ნაჩვენებია 5 ნახაზზე, გლიცეროლთან ურთიერთქმედების გამო იცვლება სხვადასხვა თერმული თვისებები. გიბსის თავისუფალი ენერგია უარყოფითია, რაც მიუთითებს, რომ შემოთავაზებული სტრუქტურა სტაბილურია.
PM6-მა გამოთვალა სუფთა 3PVA- (C10) 2Na Alg (მოდელი A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (მოდელი A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (მოდელი A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (მოდელი A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (მოდელი A4) და 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (მოდელი A5) თერმული პარამეტრები, სადაც (ა) არის ენთალპია, (ბ) ენტროპია, (გ) სითბოტევადობა, (დ) თავისუფალი ენერგია და (ე) წარმოქმნის სითბო.
მეორე მხრივ, PVA ტრიმერსა და დიმერულ NaAlg-ს შორის მეორე ურთიერთქმედების რეჟიმი PVA ტრიმერის სტრუქტურაში ტერმინალურ და შუა OH ჯგუფებში გვხვდება. როგორც პირველ ჯგუფში, თერმული პარამეტრები გამოითვალა თეორიის იგივე დონის გამოყენებით. სურათი 6a-e გვიჩვენებს ენთალპიის, ენტროპიის, სითბოტევადობის, თავისუფალი ენერგიის და, საბოლოო ჯამში, წარმოქმნის სითბოს ვარიაციებს. სურათი 6a-c აჩვენებს, რომ Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg-ის ენთალპია, ენტროპია და სითბოტევადობა ავლენს იგივე ქცევას, რასაც პირველი ჯგუფი 1, 2, 3, 4, 5 და 6 გლიცეროლის ერთეულებთან ურთიერთქმედებისას. უფრო მეტიც, მათი მნიშვნელობები თანდათან იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. გარდა ამისა, შემოთავაზებულ Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg მოდელში, ენთალპიის, ენტროპიის და სითბოტევადობის მნიშვნელობები იზრდება გლიცეროლის შემცველობის ზრდასთან ერთად. აბრევიატურები B0, B1, B2, B3, B4, B5 და B6 შესაბამისად შემდეგ სტრუქტურებს წარმოადგენს: 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 და Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. როგორც ნაჩვენებია ნახ. 6a–c-ზე, აშკარაა, რომ ენთალპიის, ენტროპიის და სითბოტევადობის მნიშვნელობები იზრდება გლიცეროლის ერთეულების რაოდენობის 1-დან 6-მდე ზრდასთან ერთად.
PM6-მა გამოთვალა სუფთა ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg (მოდელი B0), ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (მოდელი B1), ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (მოდელი B2), ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (მოდელი B3), ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (მოდელი B4), ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (მოდელი B5) და ტერმინი 1 Na Alg-3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (მოდელი B6) თერმული პარამეტრები, მათ შორის (ა) ენთალპია, (ბ) ენტროპია, (გ) სითბოტევადობა, (დ) თავისუფალი ენერგია და (ე) წარმოქმნის სითბო.
გარდა ამისა, სტრუქტურას, რომელიც წარმოადგენს ტერმინ 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-6 Gly-ს, სხვა სტრუქტურებთან შედარებით აქვს ენთალპიის, ენტროპიის და სითბოტევადობის ყველაზე მაღალი მნიშვნელობები. მათ შორის, მათი მნიშვნელობები გაიზარდა ტერმინ 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg-ში 16.703 კალ/მოლიდან, 257.990 კალ/მოლ/K-დან და 131.323 კკალ/მოლიდან შესაბამისად ტერმინ 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly-ში 33.223 კალ/მოლამდე, 420.038 კალ/მოლ/K-მდე და 275.923 კკალ/მოლამდე.
თუმცა, ნახაზები 6d და e აჩვენებს თავისუფალი ენერგიისა და წარმოქმნის საბოლოო სითბოს (HF) ტემპერატურულ დამოკიდებულებას. HF შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ენთალპიის ცვლილება, რომელიც ხდება მაშინ, როდესაც ნივთიერების ერთი მოლი წარმოიქმნება მისი ელემენტებიდან ბუნებრივ და სტანდარტულ პირობებში. ნახაზიდან ჩანს, რომ ყველა შესწავლილი სტრუქტურის თავისუფალი ენერგია და წარმოქმნის საბოლოო სითბო აჩვენებს წრფივ დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე, ანუ ისინი თანდათან და წრფივად იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. გარდა ამისა, ნახაზიდან ასევე დადასტურდა, რომ სტრუქტურას, რომელიც წარმოადგენს ტერმინს 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly, აქვს ყველაზე დაბალი თავისუფალი ენერგია და ყველაზე დაბალი HF. ორივე პარამეტრი შემცირდა -758.337-დან -899.741 კ კალ/მოლამდე ტერმინში 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly -1,476.591 და -1,828.523 კ კალ/მოლ. შედეგებიდან ჩანს, რომ HF მცირდება გლიცეროლის ერთეულების ზრდასთან ერთად. ეს ნიშნავს, რომ ფუნქციური ჯგუფების ზრდის გამო, რეაქტიულობაც იზრდება და შესაბამისად, რეაქციის განსახორციელებლად ნაკლები ენერგიაა საჭირო. ეს ადასტურებს, რომ პლასტიზირებული PVA/NaAlg-ის გამოყენება შესაძლებელია ბატარეებში მისი მაღალი რეაქტიულობის გამო.
ზოგადად, ტემპერატურის ეფექტები ორ ტიპად იყოფა: დაბალი ტემპერატურის ეფექტები და მაღალი ტემპერატურის ეფექტები. დაბალი ტემპერატურის ეფექტები ძირითადად იგრძნობა მაღალ განედებზე მდებარე ქვეყნებში, როგორიცაა გრენლანდია, კანადა და რუსეთი. ზამთარში, ამ ადგილებში გარე ჰაერის ტემპერატურა ნულ გრადუს ცელსიუსზე გაცილებით დაბალია. ლითიუმ-იონური ბატარეების სიცოცხლის ხანგრძლივობასა და მუშაობაზე შეიძლება გავლენა იქონიოს დაბალმა ტემპერატურამ, განსაკუთრებით იმ აკუმულატორებმა, რომლებიც გამოიყენება ჰიბრიდულ ელექტრო მანქანებში, სუფთა ელექტრო მანქანებსა და ჰიბრიდულ ელექტრო მანქანებში. კოსმოსური მოგზაურობა კიდევ ერთი ცივი გარემოა, რომელიც მოითხოვს ლითიუმ-იონურ ბატარეებს. მაგალითად, მარსზე ტემპერატურა შეიძლება დაეცეს -120 გრადუს ცელსიუსამდე, რაც მნიშვნელოვან დაბრკოლებას წარმოადგენს ლითიუმ-იონური ბატარეების კოსმოსურ ხომალდებში გამოყენებისთვის. დაბალმა სამუშაო ტემპერატურამ შეიძლება გამოიწვიოს ლითიუმ-იონური ბატარეების მუხტის გადაცემის სიჩქარის და ქიმიური რეაქციის აქტივობის შემცირება, რაც იწვევს ლითიუმის იონების დიფუზიის სიჩქარის შემცირებას ელექტროდში და იონური გამტარობის შემცირებას ელექტროლიტში. ეს დეგრადაცია იწვევს ენერგიის სიმძლავრისა და სიმძლავრის შემცირებას, ზოგჯერ კი მუშაობის შემცირებასაც კი53.
მაღალი ტემპერატურის ეფექტი უფრო ფართო სპექტრის გამოყენების გარემოში ვლინდება, მათ შორის როგორც მაღალი, ასევე დაბალი ტემპერატურის გარემოში, ხოლო დაბალი ტემპერატურის ეფექტი ძირითადად დაბალი ტემპერატურის გამოყენების გარემოში შემოიფარგლება. დაბალი ტემპერატურის ეფექტი, ძირითადად, გარემოს ტემპერატურით განისაზღვრება, ხოლო მაღალი ტემპერატურის ეფექტი, როგორც წესი, უფრო ზუსტად მიეწერება ლითიუმ-იონური ბატარეის შიგნით მუშაობის დროს არსებულ მაღალ ტემპერატურას.
ლითიუმ-იონური ელემენტები მაღალი დენის პირობებში (მათ შორის სწრაფი დატენვისა და სწრაფი განმუხტვის დროს) სითბოს გამოყოფენ, რაც იწვევს შიდა ტემპერატურის მატებას. მაღალ ტემპერატურაზე ზემოქმედებამ ასევე შეიძლება გამოიწვიოს ელემენტის მუშაობის გაუარესება, მათ შორის სიმძლავრისა და ტევადობის დაკარგვა. როგორც წესი, ლითიუმის დაკარგვა და აქტიური მასალების აღდგენა მაღალ ტემპერატურაზე იწვევს სიმძლავრის დაკარგვას, ხოლო სიმძლავრის დაკარგვა გამოწვეულია შიდა წინააღმდეგობის ზრდით. თუ ტემპერატურა კონტროლიდან გამოვა, ხდება თერმული გაქცევა, რამაც ზოგიერთ შემთხვევაში შეიძლება გამოიწვიოს სპონტანური წვა ან აფეთქებაც კი.
QSAR გამოთვლები არის გამოთვლითი ან მათემატიკური მოდელირების მეთოდი, რომელიც გამოიყენება ნაერთების ბიოლოგიურ აქტივობასა და სტრუქტურულ თვისებებს შორის ურთიერთობების დასადგენად. ყველა შექმნილი მოლეკულა ოპტიმიზირებული იყო და ზოგიერთი QSAR თვისება გამოითვალა PM6 დონეზე. ცხრილი 3-ში ჩამოთვლილია გამოთვლილი QSAR დესკრიპტორების ზოგიერთი ნაწილი. ასეთი დესკრიპტორების მაგალითებია მუხტი, TDM, სრული ენერგია (E), იონიზაციის პოტენციალი (IP), Log P და პოლარიზებადობა (იხილეთ ცხრილი 1 IP-ისა და Log P-ის განსაზღვრის ფორმულებისთვის).
გამოთვლების შედეგები აჩვენებს, რომ ყველა შესწავლილი სტრუქტურის ჯამური მუხტი ნულის ტოლია, რადგან ისინი ძირითად მდგომარეობაში არიან. პირველი ურთიერთქმედების ალბათობისთვის, გლიცეროლის TDM იყო 2.788 დებიი და 6.840 დებიი 3PVA-(C10) 2Na Alg-ისთვის, ხოლო TDM მნიშვნელობები გაიზარდა 17.990 დებიი, 8.848 დებიი, 5.874 დებიი, 7.568 დებიი და 12.779 დებიი, როდესაც 3PVA-(C10) 2Na Alg ურთიერთქმედებდა გლიცეროლის 1, 2, 3, 4 და 5 ერთეულთან, შესაბამისად. რაც უფრო მაღალია TDM მნიშვნელობა, მით უფრო მაღალია მისი რეაქტიულობა გარემოსთან.
ასევე გამოითვალა სრული ენერგია (E) და გლიცეროლისა და 3PVA-(C10)2 NaAlg-ის E მნიშვნელობები შესაბამისად -141.833 eV და -200092.503 eV აღმოჩნდა. ამასობაში, 3PVA-(C10)2 NaAlg-ის წარმომადგენელი სტრუქტურები ურთიერთქმედებენ 1, 2, 3, 4 და 5 გლიცეროლის ერთეულთან; E შესაბამისად ხდება -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 და -1548.031 eV. გლიცეროლის შემცველობის გაზრდა იწვევს სრული ენერგიის შემცირებას და შესაბამისად, რეაქტიულობის ზრდას. სრული ენერგიის გამოთვლის საფუძველზე დაასკვნეს, რომ მოდელის მოლეკულა, რომელიც არის 3PVA-2Na Alg-5 Gly, უფრო რეაქტიულია, ვიდრე სხვა მოდელის მოლეკულები. ეს ფენომენი მათ სტრუქტურას უკავშირდება. 3PVA-(C10)2NaAlg შეიცავს მხოლოდ ორ -COONa ჯგუფს, ხოლო სხვა სტრუქტურები შეიცავს ორ -COONa ჯგუფს, მაგრამ ატარებენ რამდენიმე OH ჯგუფს, რაც ნიშნავს, რომ მათი რეაქტიულობა გარემოს მიმართ გაზრდილია.
გარდა ამისა, ამ კვლევაში განხილულია ყველა სტრუქტურის იონიზაციის ენერგიები (IE). იონიზაციის ენერგია მნიშვნელოვანი პარამეტრია შესწავლილი მოდელის რეაქტიულობის გასაზომად. ელექტრონის მოლეკულის ერთი წერტილიდან უსასრულობაში გადასატანად საჭირო ენერგიას იონიზაციის ენერგია ეწოდება. ის წარმოადგენს მოლეკულის იონიზაციის (ანუ რეაქტიულობის) ხარისხს. რაც უფრო მაღალია იონიზაციის ენერგია, მით უფრო დაბალია რეაქტიულობა. 3PVA-(C10)2NaAlg-ის 1, 2, 3, 4 და 5 გლიცეროლის ერთეულთან ურთიერთქმედების IE შედეგები შესაბამისად -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 და -9.323 eV იყო, ხოლო გლიცეროლისა და 3PVA-(C10)2NaAlg-ის IE-ები შესაბამისად -5.157 და -9.341 eV იყო. რადგან გლიცეროლის დამატებამ IP მნიშვნელობის შემცირება გამოიწვია, მოლეკულური რეაქტიულობა გაიზარდა, რაც აძლიერებს PVA/NaAlg/გლიცეროლის მოდელის მოლეკულის გამოყენებადობას ელექტროქიმიურ მოწყობილობებში.
ცხრილი 3-ში მეხუთე აღმწერი არის Log P, რომელიც წარმოადგენს დაყოფის კოეფიციენტის ლოგარითმს და გამოიყენება იმის აღსაწერად, არის თუ არა შესწავლილი სტრუქტურა ჰიდროფილური თუ ჰიდროფობიური. უარყოფითი Log P მნიშვნელობა მიუთითებს ჰიდროფილურ მოლეკულაზე, რაც ნიშნავს, რომ ის ადვილად იხსნება წყალში და ცუდად იხსნება ორგანულ გამხსნელებში. დადებითი მნიშვნელობა მიუთითებს საპირისპირო პროცესზე.
მიღებული შედეგების საფუძველზე, შეიძლება დავასკვნათ, რომ ყველა სტრუქტურა ჰიდროფილურია, რადგან მათი Log P მნიშვნელობები (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly და 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) შესაბამისად -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 და -8.504-ია, მაშინ როდესაც გლიცეროლის Log P მნიშვნელობა მხოლოდ -1.081-ია, ხოლო 3PVA-(C10)2Na Alg-ის - მხოლოდ -3.100. ეს ნიშნავს, რომ შესწავლილი სტრუქტურის თვისებები შეიცვლება წყლის მოლეკულების მის სტრუქტურაში ინტეგრირებისას.
და ბოლოს, ყველა სტრუქტურის პოლარიზებადობა ასევე გამოითვლება PM6 დონეზე ნახევრად ემპირიული მეთოდის გამოყენებით. ადრე აღინიშნა, რომ მასალების უმეტესობის პოლარიზებადობა დამოკიდებულია სხვადასხვა ფაქტორზე. ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორია შესწავლილი სტრუქტურის მოცულობა. ყველა სტრუქტურისთვის, რომელიც მოიცავს 3PVA-სა და 2NaAlg-ს შორის პირველი ტიპის ურთიერთქმედებას (ურთიერთქმედება ხდება ნახშირბადის ატომის ნომრით 10), პოლარიზებადობა უმჯობესდება გლიცეროლის დამატებით. პოლარიზებადობა იზრდება 29.690 Å-დან 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 და 54.638 Å-მდე 1, 2, 3, 4 და 5 გლიცეროლის ერთეულებთან ურთიერთქმედების გამო. ამგვარად, აღმოჩნდა, რომ ყველაზე მაღალი პოლარიზებადობის მქონე მოდელურ მოლეკულას წარმოადგენს 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, ხოლო ყველაზე დაბალი პოლარიზებადობის მქონე მოდელურ მოლეკულას წარმოადგენს 3PVA-(C10)2NaAlg, რომელიც 29.690 Å-ს შეადგენს.
QSAR-ის აღმწერების შეფასებამ აჩვენა, რომ 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly-ის წარმომადგენელი სტრუქტურა ყველაზე რეაქტიული იყო პირველი შემოთავაზებული ურთიერთქმედებისთვის.
PVA ტრიმერსა და NaAlg დიმერს შორის მეორე ურთიერთქმედების რეჟიმის შედეგები აჩვენებს, რომ მათი მუხტები მსგავსია პირველი ურთიერთქმედებისთვის წინა ნაწილში შემოთავაზებული მუხტებისა. ყველა სტრუქტურას აქვს ნულოვანი ელექტრონული მუხტი, რაც ნიშნავს, რომ ისინი ყველა ძირითად მდგომარეობაშია.
როგორც ცხრილი 4-შია ნაჩვენები, Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg-ის TDM მნიშვნელობები (გამოთვლილი PM6 დონეზე) გაიზარდა 11.581 დებიიდან 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507 და 15.756-მდე, როდესაც Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg რეაქციაში შევიდა გლიცეროლის 1, 2, 3, 4, 5 და 6 ერთეულთან. თუმცა, გლიცეროლის ერთეულების რაოდენობის ზრდასთან ერთად, საერთო ენერგია მცირდება და როდესაც Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg ურთიერთქმედებს გლიცეროლის ერთეულების გარკვეულ რაოდენობასთან (1-დან 6-მდე), საერთო ენერგია შესაბამისად არის − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964 და − 1637.432 eV.
მეორე ურთიერთქმედების ალბათობისთვის, IP, Log P და პოლარიზაციადობა ასევე გამოითვლება თეორიის PM6 დონეზე. ამიტომ, მათ განიხილეს მოლეკულური რეაქტიულობის სამი ყველაზე ძლიერი აღმწერი. End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ის წარმომადგენლობითი სტრუქტურებისთვის, რომლებიც ურთიერთქმედებენ 1, 2, 3, 4, 5 და 6 გლიცეროლის ერთეულებთან, IP იზრდება -9.385 eV-დან -8.946, -8.848, -8.430, -9.537, -7.997 და -8.900 eV-მდე. თუმცა, გამოთვლილი Log P მნიშვნელობა უფრო დაბალი იყო End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ის გლიცეროლით პლასტიზაციის გამო. გლიცეროლის შემცველობის 1-დან 6-მდე ზრდისას, მისი მნიშვნელობები ხდება -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 და -10.53 -3.643-ის ნაცვლად. და ბოლოს, პოლარიზაციის მონაცემებმა აჩვენა, რომ გლიცეროლის შემცველობის გაზრდამ გამოიწვია Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ის პოლარიზაციის ზრდა. მოდელის მოლეკულის Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-ის პოლარიზაცია გაიზარდა 31.703 Å-დან 63.198 Å-მდე 6 გლიცეროლის ერთეულთან ურთიერთქმედების შემდეგ. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ მეორე ურთიერთქმედების ალბათობაში გლიცეროლის ერთეულების რაოდენობის გაზრდა ხორციელდება იმის დასადასტურებლად, რომ ატომების დიდი რაოდენობისა და რთული სტრუქტურის მიუხედავად, მახასიათებლები მაინც უმჯობესდება გლიცეროლის შემცველობის ზრდასთან ერთად. ამგვარად, შეიძლება ითქვას, რომ არსებულ PVA/Na Alg/გლიცერინის მოდელს შეუძლია ნაწილობრივ ჩაანაცვლოს ლითიუმ-იონური აკუმულატორები, თუმცა საჭიროა მეტი კვლევა და განვითარება.
ზედაპირის ადსორბატთან შეკავშირების უნარის დახასიათება და სისტემებს შორის უნიკალური ურთიერთქმედებების შეფასება მოითხოვს ნებისმიერ ორ ატომს შორის არსებული ბმის ტიპის, მოლეკულათშორისი და მოლეკულაშიდა ურთიერთქმედებების სირთულის და ზედაპირისა და ადსორბენტის ელექტრონული სიმკვრივის განაწილების ცოდნას. ურთიერთქმედი ატომებს შორის ბმის კრიტიკულ წერტილში (BCP) ელექტრონული სიმკვრივე კრიტიკულია QTAIM ანალიზში ბმის სიმტკიცის შესაფასებლად. რაც უფრო მაღალია ელექტრონული მუხტის სიმკვრივე, მით უფრო სტაბილურია კოვალენტური ურთიერთქმედება და, ზოგადად, მით უფრო მაღალია ელექტრონული სიმკვრივე ამ კრიტიკულ წერტილებში. უფრო მეტიც, თუ როგორც ელექტრონული ენერგიის სრული სიმკვრივე (H(r)), ასევე ლაპლასის მუხტის სიმკვრივე (∇2ρ(r)) 0-ზე ნაკლებია, ეს მიუთითებს კოვალენტური (ზოგადი) ურთიერთქმედებების არსებობაზე. მეორეს მხრივ, როდესაც ∇2ρ(r) და H(r) 0.54-ზე მეტია, ეს მიუთითებს არაკოვალენტური (დახურული გარსის) ურთიერთქმედებების არსებობაზე, როგორიცაა სუსტი წყალბადური ბმები, ვან დერ ვაალის ძალები და ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედებები. QTAIM ანალიზმა გამოავლინა არაკოვალენტური ურთიერთქმედებების ბუნება შესწავლილ სტრუქტურებში, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზებში 7 და 8. ანალიზის საფუძველზე, 3PVA − 2Na Alg და Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg-ის წარმომადგენელმა მოდელურმა მოლეკულებმა აჩვენეს უფრო მაღალი სტაბილურობა, ვიდრე მოლეკულებმა, რომლებიც ურთიერთქმედებენ სხვადასხვა გლიცინის ერთეულებთან. ეს იმიტომ ხდება, რომ ალგინატის სტრუქტურაში უფრო გავრცელებული არაკოვალენტური ურთიერთქმედებების რაოდენობა, როგორიცაა ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედებები და წყალბადური ბმები, საშუალებას აძლევს ალგინატს სტაბილიზაცია მოახდინოს კომპოზიტების. გარდა ამისა, ჩვენი შედეგები აჩვენებს არაკოვალენტური ურთიერთქმედებების მნიშვნელობას 3PVA − 2Na Alg და Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg მოდელურ მოლეკულებსა და გლიცინს შორის, რაც მიუთითებს, რომ გლიცინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს კომპოზიტების საერთო ელექტრონული გარემოს მოდიფიცირებაში.
მოდელის მოლეკულის 3PVA − 2NaAlg QTAIM ანალიზი, რომელიც ურთიერთქმედებს (ა) 0 გლისთან, (ბ) 1 გლისთან, (გ) 2 გლისთან, (დ) 3 გლისთან, (ე) 4 გლისთან და (ვ) 5გლისთან.