通讯单位：The University of Utah
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中文标题：全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 表面活性剂在空气-水界面的结构、取向和动力学：分子水平的洞察.英文标题：Structure, orientation, and dynamics of per- and polyfluoroalkyl substance (PFAS) surfactants at the air-water interface: Molecular-level insights.本研究主要工作是通过原子级分子动力学模拟探究了三种不同的全氟和多氟烷基物质（PFAS）表面活性剂（较长的全氟辛酸（PFOA）、较短的全氟丁酸（PFBA）和一种结构不同的较短链PFAS（GenX））在空气-水界面的分子结构、取向和动力学行为。研究发现，较短链的PFAS（如GenX或PFBA）在达到相同表面张力降低的程度上需要较低的表面覆盖率，但是由于它们在水中的较高溶解性，其在体相溶液中需要较高的浓度来实现与PFOA相同的表面覆盖率。此外，这些PFAS分子在界面上的取向和活动性受到其氟碳尾部长度和结构的显著影响。![]()
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图 1. 本体水溶液中表面活性剂浓度低（低于 CMC）和高（高于 CMC）时含有 GenX 表面活性剂的系统的 MD 模拟快照。虚线定义本体和界面区域的边界。本体溶液区域中的表面活性剂分子以黄色/紫色突出显示。还显示了本研究中考虑的 PFAS 分子以及用于结构分析的关键原子的标签。
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图 2. （a）PFOA、（b）GenX 和（c）PFBA 的水溶液表面张力和表面覆盖率（空气-水界面上每单位面积的表面活性剂分子数），以 300 K 下本体表面活性剂浓度为函数绘制。（d）表面张力随表面覆盖率的变化。表面张力和表面覆盖率分别通过纯水的表面张力和最大表面覆盖率进行归一化。
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图 3. 水、NH4 + 和不同 PFAS 表面活性剂原子的密度分布，(a)、(b) PFOA 在 0.22 和 2.76 个分子/nm2 覆盖率下，(c)、(d) PFBA 在 0.20 和 2.88 个分子/nm2 覆盖率下，以及 (e)、(f) GenX 在 0.20 和 2.42 个分子/nm2 覆盖率下。
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图 4. 低（约 0.4 个分子/nm2 ）和高（约 2.0 个分子/nm2 ）表面覆盖率下空气-水界面上 (a) PFBA、(b) GenX 和 (c) PFOA 的侧面和顶视图。表面覆盖率偏离网格单元平均值的概率分布（假设分布均匀）如图 (d) 低表面覆盖率和 (e) 高表面覆盖率所示。
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图 5. (a) PFBA、(b) GenX 和 (c) PFOA 的定义分子轴和取向的示意图。(d) PFBA、GenX 和 PFOA 的矢量 v → 和 z 轴之间的平均角度与表面活性剂表面覆盖率的关系。
1、分子动力学模拟的创新应用：通过高精度的分子动力学模拟，为PFAS在空气-水界面的行为提供了直观的分子水平见解，这是实验方法难以达到的。2、PFAS分子结构对界面行为的影响：研究表明，PFAS分子的尾部长度和分支结构显著影响它们在界面上的取向和动态行为。较短和分支的PFAS（如GenX）显示出与传统的长链PFAS（如PFOA）不同的界面活动性和扩散行为。3、界面吸附与环境行为的联系：通过模拟研究PFAS分子在界面的吸附行为，提供了理解这些化学品在环境中迁移和分布的新途径，尤其是它们在污染水体中的行为。4、寻找替代物的基础：这项研究的结果为开发新型、环境友好的非氟表面活性剂提供了理论基础，有助于替代传统的PFAS产品，这些产品因其在环境中的持久性和潜在的生态危害而受到广泛关注。
文章DOI：10.1016/j.jcis.2024.10.041.声明：
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