$\mathrm{Ca^{2+}}$ 与聚电解质结合的吸附等温线与机理

聚电解质如聚丙烯酸（PAA）可有效抑制 $\mathrm{CaCO_3}$ 垢的形成。尽管作为阻垢剂取得成功，但 $\mathrm{Ca^{2+}}$ 与聚电解质链结合的潜在机理仍不清楚。通过全原子分子动力学模拟，我们构建了 $\mathrm{Ca^{2+}}$ 与聚丙烯酸钠（$\mathrm{NaPAA}$）结合的吸附等温线，并研究了相关结合机理。我们发现，在溶液中游离钙离子 \[\mathrm{Ca^{2+}_{aq}}\] 浓度适度偏高时，吸附到聚合物的钙离子数 \[\mathrm{Ca^{2+}_{ads}}\] 达到饱和。该饱和值与 $\mathrm{Ca^{2+}}$ 离子结合聚电解质链时可及的结合模式密切相关。我们识别出两种主导结合模式：第一种涉及至多与一条聚丙烯酸链上的两个羧酸氧结合，第二种称为高结合模式，涉及与四个或更多羧酸氧结合。随着游离钙离子 \[\mathrm{Ca^{2+}_{aq}}\] 浓度由低到中增加，聚电解质链发生从伸展线团到发夹状结构的构象转变，提升了高结合模式的可及性。在 \[\mathrm{Ca^{2+}_{aq}}\] 中等浓度下，高结合模式至少占所有结合事件的的三分之一。研究发现，链的构象变化及其随之对高结合模式的可及性提高了聚电解质链的总体 $\mathrm{Ca^{2+}}$ 离子结合容量。