תודה שביקרתם באתר nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בגרסת הדפדפן העדכנית ביותר (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בנוסף, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, אתר זה לא יכלול סגנונות או JavaScript.
בשל משאב הנתרן השופע, סוללות יוני נתרן (NIBs) מייצגות פתרון חלופי מבטיח לאגירת אנרגיה אלקטרוכימית. נכון לעכשיו, המכשול העיקרי בפיתוח טכנולוגיית NIB הוא היעדר חומרי אלקטרודה שיכולים לאגור/לשחרר יוני נתרן באופן הפיך למשך זמן רב. לכן, מטרת מחקר זה היא לחקור תיאורטית את ההשפעה של תוספת גליצרול על תערובות פוליוויניל אלכוהול (PVA) ואלגינט נתרן (NaAlg) כחומרי אלקטרודה של NIB. מחקר זה מתמקד בתיאורי יחסי מבנה-פעילות אלקטרוניים, תרמיים וכמותיים (QSAR) של אלקטרוליטים פולימריים המבוססים על תערובות PVA, אלגינט נתרן וגליצרול. תכונות אלו נחקרות באמצעות שיטות חצי-אמפיריות ותורת פונקציונל הצפיפות (DFT). מאחר שהניתוח המבני חשף את פרטי האינטראקציות בין PVA/אלגינט לגליצרול, נחקרה אנרגיית פער הפס (Eg). התוצאות מראות כי תוספת גליצרול גורמת לירידה בערך Eg ל-0.2814 eV. משטח הפוטנציאל האלקטרוסטטי המולקולרי (MESP) מציג את התפלגות האזורים העשירים והעניים באלקטרונים ואת המטענים המולקולריים במערכת האלקטרוליטים כולה. הפרמטרים התרמיים שנחקרו כוללים אנתלפיה (H), אנטרופיה (ΔS), קיבול חום (Cp), אנרגיית גיבס חופשית (G) וחום היווצרות. בנוסף, במחקר זה נחקרו מספר תיאורי קשר מבנה-פעילות כמותיים (QSAR) כגון מומנט דיפול כולל (TDM), אנרגיה כוללת (E), פוטנציאל יינון (IP), Log P וקיטוב. התוצאות הראו כי H, ΔS, Cp, G ו-TDM עלו עם עליית הטמפרטורה ותכולת הגליצרול. בינתיים, חום היווצרות, IP ו-E ירד, מה ששיפר את הריאקטיביות והקיטוב. בנוסף, על ידי הוספת גליצרול, מתח התא עלה ל-2.488 וולט. חישובי DFT ו-PM6 המבוססים על אלקטרוליטים חסכוניים מבוססי גליצרול PVA/NaAlg מראים שהם יכולים להחליף חלקית סוללות ליתיום-יון בשל הרב-תכליתיות שלהם, אך יש צורך בשיפורים ומחקר נוספים.
למרות שסוללות ליתיום-יון (LIBs) נמצאות בשימוש נרחב, יישומן מתמודד עם מגבלות רבות עקב חייהן הקצרים, עלותן הגבוהה וחששות בטיחותיים. סוללות נתרן-יון (SIBs) עשויות להפוך לחלופה בת קיימא ל-LIBs עקב זמינותן הרחבה, עלותן הנמוכה וחוסר הרעילות של יסוד הנתרן. סוללות נתרן-יון (SIBs) הופכות למערכת אחסון אנרגיה חשובה יותר ויותר עבור מכשירים אלקטרוכימיים1. סוללות נתרן-יון מסתמכות במידה רבה על אלקטרוליטים כדי להקל על הובלת יונים ולייצר זרם חשמלי2,3. אלקטרוליטים נוזליים מורכבים בעיקר ממלחי מתכת וממסים אורגניים. יישומים מעשיים דורשים שיקול דעת מדוקדק של בטיחות האלקטרוליטים הנוזליים, במיוחד כאשר הסוללה נתונה ללחץ תרמי או חשמלי4.
סוללות נתרן-יון (SIBs) צפויות להחליף את סוללות ליתיום-יון בעתיד הקרוב בשל עתודות האוקיינוס ​​​​השופעות שלהן, חוסר הרעילות שלהן ועלות החומר הנמוכה. סינתזת ננו-חומרים האיצה את פיתוח אחסון נתונים, התקנים אלקטרוניים ואופטיים. גוף ספרותי גדול הדגים את היישום של ננו-מבנים שונים (למשל, תחמוצות מתכת, גרפן, ננו-צינוריות ופולרנים) בסוללות נתרן-יון. המחקר התמקד בפיתוח חומרי אנודה, כולל פולימרים, עבור סוללות נתרן-יון בשל הרבגוניות שלהן וידידותיותן לסביבה. העניין המחקרי בתחום סוללות פולימר נטענות ללא ספק יגדל. חומרי אלקטרודה פולימריים חדשים בעלי מבנים ותכונות ייחודיים צפויים לסלול את הדרך לטכנולוגיות אחסון אנרגיה ידידותיות לסביבה. למרות שנחקרו חומרי אלקטרודה פולימריים שונים לשימוש בסוללות נתרן-יון, תחום זה עדיין נמצא בשלבי פיתוחו המוקדמים. עבור סוללות נתרן-יון, יש לחקור חומרים פולימריים נוספים בעלי תצורות מבניות שונות. בהתבסס על הידע הנוכחי שלנו על מנגנון האחסון של יוני נתרן בחומרי אלקטרודה פולימריים, ניתן לשער שקבוצות קרבוניל, רדיקלים חופשיים והטרואטומים במערכת המצומדת יכולים לשמש כאתרים פעילים לאינטראקציה עם יוני נתרן. לכן, חיוני לפתח פולימרים חדשים בעלי צפיפות גבוהה של אתרים פעילים אלה. אלקטרוליט פולימר ג'ל (GPE) הוא טכנולוגיה חלופית המשפרת את אמינות הסוללה, מוליכות היונים, חוסר דליפה, גמישות גבוהה וביצועים טובים.
מטריצות פולימר כוללות חומרים כגון PVA ופוליאתילן אוקסיד (PEO)13. פולימר חדיר ג'ל (GPE) משתק את האלקטרוליט הנוזלי במטריצת הפולימר, מה שמפחית את הסיכון לדליפה בהשוואה למפרידים מסחריים14. PVA הוא פולימר סינתטי מתכלה ביולוגית. יש לו מקדם יציאה גבוה, הוא זול ואינו רעיל. החומר ידוע בתכונות יצירת הסרט שלו, יציבותו הכימית ובהידבקות שלו. יש לו גם קבוצות פונקציונליות (OH) וצפיפות פוטנציאלית גבוהה לקישור צולב15,16,17. ערבוב פולימרים, הוספת פלסטייזר, הוספת חומרים מרוכבים וטכניקות פילמור באתר שימשו לשיפור המוליכות של אלקטרוליטים פולימריים מבוססי PVA כדי להפחית את גבישיות המטריצה ​​ולהגדיל את גמישות השרשרת18,19,20.
ערבוב פולימרים הוא שיטה חשובה לפיתוח חומרים פולימריים עבור יישומים תעשייתיים. תערובות פולימרים משמשות לעתים קרובות כדי: (1) לשפר את תכונות העיבוד של פולימרים טבעיים ביישומים תעשייתיים; (2) לשפר את התכונות הכימיות, הפיזיקליות והמכניות של חומרים מתכלים; ו-(3) להסתגל לביקוש המשתנה במהירות לחומרים חדשים בתעשיית אריזות המזון. שלא כמו קופולימריזציה, ערבוב פולימרים הוא תהליך בעלות נמוכה המשתמש בתהליכים פיזיקליים פשוטים ולא בתהליכים כימיים מורכבים כדי להשיג את התכונות הרצויות21. כדי ליצור הומופולימרים, פולימרים שונים יכולים לתקשר באמצעות כוחות דיפול-דיפול, קשרי מימן או קומפלקסים של העברת מטען22,23. תערובות העשויות מפולימרים טבעיים וסינתטיים יכולות לשלב ביו-תאימות טובה עם תכונות מכניות מצוינות, וליצור חומר מעולה בעלות ייצור נמוכה24,25. לכן, יש עניין רב ביצירת חומרים פולימריים רלוונטיים ביולוגית על ידי ערבוב פולימרים סינתטיים וטבעיים. ניתן לשלב PVA עם אלגינט נתרן (NaAlg), תאית, כיטוזן ועמילן26.
אלגינט נתרן הוא פולימר טבעי ופוליסכריד אניוני המופק מאצות חומות ימיות. אלגינט נתרן מורכב מחומצה D-מנורונית (M) הקשורה ל-β-(1-4) וחומצה L-גולורונית (G) הקשורה ל-α-(1-4) המאורגנת בצורות הומופולימריות (poly-M ו-poly-G) ובבלוקים הטרופולימריים (MG או GM)27. לתכולה וליחס היחסי של בלוקי M ו-G יש השפעה משמעותית על התכונות הכימיות והפיזיקליות של אלגינט28,29. אלגינט נתרן נמצא בשימוש נרחב ונחקר בשל יכולת ההתכלות הביולוגית שלו, התאימות הביולוגית שלו, עלותו הנמוכה, תכונות יצירת שכבה טובות וחוסר הרעילות שלו. עם זאת, מספר רב של קבוצות הידרוקסיל (OH) וקרבוקסילאט (COO) חופשיות בשרשרת האלגינט הופך את האלגינט להידרופילי מאוד. עם זאת, לאלגינט תכונות מכניות ירודות בשל שבירותו וקשיחותו. לכן, ניתן לשלב אלגינט עם חומרים סינתטיים אחרים כדי לשפר את הרגישות למים ואת התכונות המכניות30,31.
לפני תכנון חומרי אלקטרודה חדשים, חישובי DFT משמשים לעתים קרובות להערכת היתכנות הייצור של חומרים חדשים. בנוסף, מדענים משתמשים במידול מולקולרי כדי לאשר ולחזות תוצאות ניסוייות, לחסוך זמן, להפחית בזבוז כימי ולחזות התנהגות אינטראקציה32. מידול מולקולרי הפך לענף מדע רב עוצמה וחשוב בתחומים רבים, כולל מדעי החומרים, ננו-חומרים, כימיה חישובית וגילוי תרופות33,34. באמצעות תוכנות מידול, מדענים יכולים להשיג ישירות נתונים מולקולריים, כולל אנרגיה (חום היווצרות, פוטנציאל יינון, אנרגיית שפעול וכו') וגיאומטריה (זוויות קשר, אורכי קשר וזוויות פיתול)35. בנוסף, ניתן לחשב תכונות אלקטרוניות (מטען, אנרגיית פער פסי HOMO ו-LUMO, זיקה אלקטרונים), תכונות ספקטרליות (מודדי ויברציה אופייניים ועוצמות כגון ספקטרום FTIR) ותכונות נפח (נפח, דיפוזיה, צמיגות, מודולוס וכו')36.
LiNiPO4 מציג יתרונות פוטנציאליים בתחרות עם חומרי אלקטרודה חיוביים של סוללות ליתיום-יון בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלו (מתח עבודה של כ-5.1 וולט). כדי לנצל באופן מלא את היתרון של LiNiPO4 בתחום המתח הגבוה, יש להוריד את מתח העבודה מכיוון שהאלקטרוליט במתח הגבוה שפותח כיום יכול להישאר יציב יחסית רק במתחים מתחת ל-4.8 וולט. ג'אנג ועמיתיו חקרו את הסימום של כל מתכות המעבר 3d, 4d ו-5d באתר Ni של LiNiPO4, בחרו את דפוסי הסימום בעלי ביצועים אלקטרוכימיים מצוינים, והתאימו את מתח העבודה של LiNiPO4 תוך שמירה על היציבות היחסית של הביצועים האלקטרוכימיים שלו. מתחי העבודה הנמוכים ביותר שהם השיגו היו 4.21, 3.76 ו-3.5037 עבור LiNiPO4 מסומם ב-Ti, Nb ו-Ta, בהתאמה.
לכן, מטרת מחקר זה היא לחקור באופן תיאורטי את השפעת הגליצרול כפלסטייקר על התכונות האלקטרוניות, תיאורי QSAR ותכונות תרמיות של מערכת PVA/NaAlg באמצעות חישובים קוונטיים-מכניים ליישומה בסוללות יון-יון נטענות. האינטראקציות המולקולריות בין מודל PVA/NaAlg לגליצרול נותחו באמצעות תורת האטום הקוונטית של באדר (QTAIM).
מודל מולקולרי המייצג את האינטראקציה של PVA עם NaAlg ולאחר מכן עם גליצרול עבר אופטימיזציה באמצעות DFT. המודל חושב באמצעות תוכנת Gaussian 0938 במחלקת הספקטרוסקופיה, במרכז המחקר הלאומי, קהיר, מצרים. המודלים עברו אופטימיזציה באמצעות DFT ברמה B3LYP/6-311G(d, p)39,40,41,42. כדי לאמת את האינטראקציה בין המודלים הנחקרים, מחקרי תדר שבוצעו באותה רמת תיאוריה מדגימים את יציבות הגיאומטריה האופטימלית. היעדר תדרים שליליים בין כל התדרים המוערכים מדגיש את המבנה המשוער במינימה החיובית האמיתית על פני השטח של האנרגיה הפוטנציאלית. פרמטרים פיזיקליים כגון TDM, אנרגיית פער הפסים HOMO/LUMO ו-MESP חושבו באותה רמת תיאוריה קוונטית-מכנית. בנוסף, חושבו מספר פרמטרים תרמיים כגון חום סופי של היווצרות, אנרגיה חופשית, אנטרופיה, אנתלפיה וקיבול חום באמצעות הנוסחאות המופיעות בטבלה 1. המודלים הנחקרים עברו ניתוח של תורת הקוונטים של אטומים במולקולות (QTAIM) על מנת לזהות את האינטראקציות המתרחשות על פני השטח של המבנים הנחקרים. חישובים אלה בוצעו באמצעות הפקודה "output=wfn" בקוד התוכנה Gaussian 09 ולאחר מכן הוצגו באמצעות קוד התוכנה Avogadro43.
כאשר E הוא האנרגיה הפנימית, P הוא הלחץ, V הוא הנפח, Q הוא חילוף החום בין המערכת לסביבתה, T היא הטמפרטורה, ΔH הוא שינוי האנתלפיה, ΔG הוא שינוי האנרגיה החופשית, ΔS הוא שינוי האנטרופיה, a ו-b הם פרמטרי התנודה, q הוא המטען האטומי, ו-C הוא צפיפות האלקטרונים האטומית 44,45. לבסוף, אותם מבנים עברו אופטימיזציה ופרמטרי QSAR חושבו ברמת PM6 באמצעות קוד התוכנה SCIGRESS 46 במחלקת הספקטרוסקופיה של המרכז הלאומי למחקר בקהיר, מצרים.
בעבודה הקודמת שלנו47, הערכנו את המודל הסביר ביותר המתאר את האינטראקציה של שלוש יחידות PVA עם שתי יחידות NaAlg, כאשר גליצרול משמש כפלסטייזר. כפי שצוין לעיל, ישנן שתי אפשרויות לאינטראקציה של PVA ו-NaAlg. שני המודלים, המסומנים 3PVA-2Na Alg (מבוסס על מספר פחמן 10) ו-Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, הם בעלי ערך פער האנרגיה הקטן ביותר48 בהשוואה למבנים האחרים שנבחנו. לכן, נחקרה ההשפעה של תוספת Gly על המודל הסביר ביותר של פולימר PVA/Na Alg באמצעות שני המבנים האחרונים: 3PVA-(C10)2Na Alg (המכונה 3PVA-2Na Alg לשם פשטות) ו-Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. על פי הספרות, PVA, NaAlg וגליצרול יכולים ליצור רק קשרי מימן חלשים בין קבוצות פונקציונליות הידרוקסיל. מכיוון שגם טרימר ה-PVA וגם דימר ה-NaAlg והגליצרול מכילים מספר קבוצות OH, ניתן לממש את המגע דרך אחת מקבוצות ה-OH. איור 1 מציג את האינטראקציה בין מולקולת הגליצרול למודל לבין מולקולת המודל 3PVA-2Na Alg, ואיור 2 מציג את המודל הבנוי של האינטראקציה בין מולקולת המודל Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg וריכוזים שונים של גליצרול.
מבנים אופטימליים: (א) גליי ו-3PVA − 2Na Alg מקיימים אינטראקציה עם (ב) 1 גליי, (ג) 2 גליי, (ד) 3 גליי, (ה) 4 גליי, ו-(ו) 5 גליי.
מבנים אופטימליים של אלגום טרמינלי 1Na-3PVA-Mid 1Na מקיימים אינטראקציה עם (א) 1 גליי, (ב) 2 גליי, (ג) 3 גליי, (ד) 4 גליי, (ה) 5 גליי, ו-(ו) 6 גליי.
אנרגיית פער האלקטרונים היא פרמטר חשוב שיש לקחת בחשבון בעת ​​לימוד הריאקטיביות של כל חומר אלקטרודה. משום שהיא מתארת ​​את התנהגות האלקטרונים כאשר החומר נתון לשינויים חיצוניים. לכן, יש צורך להעריך את אנרגיות פער האלקטרונים של HOMO/LUMO עבור כל המבנים שנחקרו. טבלה 2 מציגה את השינויים באנרגיות HOMO/LUMO של 3PVA-(C10)2Na Alg ו-Term 1Na Alg − 3PVA-Mid 1Na Alg עקב תוספת גליצרול. על פי ref47, ערך ה-Eg של 3PVA-(C10)2Na Alg הוא 0.2908 eV, בעוד שערך ה-Eg של המבנה המשקף את ההסתברות לאינטראקציה השנייה (כלומר, Term 1Na Alg − 3PVA-Mid 1Na Alg) הוא 0.5706 eV.
עם זאת, נמצא כי הוספת גליצרול הביאה לשינוי קל בערך ה-Eg של 3PVA-(C10)2NaAlg. כאשר 3PVA-(C10)2NaAlg אינטראקציה עם 1, 2, 3, 4 ו-5 יחידות גליצרול, ערכי ה-Eg שלו הפכו ל-0.302, 0.299, 0.308, 0.289 ו-0.281 eV, בהתאמה. עם זאת, קיימת תובנה חשובה לפיה לאחר הוספת 3 יחידות גליצרול, ערך ה-Eg הפך קטן יותר מזה של 3PVA-(C10)2Na Alg. המודל המייצג את האינטראקציה של 3PVA-(C10)2Na Alg עם חמש יחידות גליצרול הוא מודל האינטראקציה הסביר ביותר. משמעות הדבר היא שככל שמספר יחידות הגליצרול עולה, גם ההסתברות לאינטראקציה עולה.
בינתיים, עבור ההסתברות השנייה לאינטראקציה, אנרגיות HOMO/LUMO של מולקולות המודל המייצגות את 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 ו-Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly הופכות ל- 1.343, 1.34 ± 7, 0.976, 0.607, 0.348 ו- 0.496 eV, בהתאמה. טבלה 2 מציגה את אנרגיות פער האנרגיה HOMO/LUMO המחושבות עבור כל המבנים. יתר על כן, אותה התנהגות של הסתברויות האינטראקציה של הקבוצה הראשונה חוזרת על עצמה כאן.
תורת הפסים בפיזיקה של מצב מוצק קובעת שככל שפער הפסים של חומר אלקטרודה יורד, המוליכות האלקטרונית של החומר עולה. סימום היא שיטה נפוצה להקטנת פער הפסים של חומרי קתודה של יון נתרן. ג'יאנג ועמיתיו השתמשו בסימום נחושת כדי לשפר את המוליכות האלקטרונית של חומרים מרובי שכבות β-NaMnO2. באמצעות חישובי DFT, הם מצאו שסימום הקטין את פער הפסים של החומר מ-0.7 eV ל-0.3 eV. ממצא זה מצביע על כך שסימום נחושת משפר את המוליכות האלקטרונית של חומר β-NaMnO2.
MESP מוגדר כאנרגיית האינטראקציה בין התפלגות המטען המולקולרית לבין מטען חיובי יחיד. MESP נחשב לכלי יעיל להבנה ופירוש תכונות כימיות וריאקטיביות. ניתן להשתמש ב-MESP כדי להבין את מנגנוני האינטראקציות בין חומרים פולימריים. MESP מתאר את התפלגות המטען בתוך התרכובת הנחקרת. בנוסף, MESP מספק מידע על האתרים הפעילים בחומרים הנחקרים32. איור 3 מציג את גרפי ה-MESP של 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, ו-3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly כפי שנחזרו ברמת B3LYP/6-311G(d, p) של התיאוריה.
קווי מתאר של MESP מחושבים עם B3LYP/6-311 g(d, p) עבור (א) גליציום ו-3PVA − 2Na Alg המקיימים אינטראקציה עם (ב) 1 גליציום, (ג) 2 גליציום, (ד) 3 גליציום, (ה) 4 גליציום, ו-(ו) 5 גליציום.
בינתיים, איור 4 מציג את התוצאות המחושבות של MESP עבור 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 ו-Termin 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly, בהתאמה. ה-MESP המחושב מיוצג כהתנהגות קו מתאר. קווי הקונטורה מיוצגים בצבעים שונים. כל צבע מייצג ערך אלקטרושליליות שונה. הצבע האדום מציין את האתרים האלקטרושליליים או הריאקטיביים ביותר. בינתיים, הצבע הצהוב מייצג את האתרים הניטרליים 49, 50, 51 במבנה. תוצאות ה-MESP הראו כי הריאקטיביות של 3PVA-(C10)2Na Alg גדלה עם העלייה בצבע האדום סביב המודלים שנחקרו. בינתיים, עוצמת הצבע האדום במפת ה-MESP של מולקולת המודל Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg פוחתת עקב האינטראקציה עם תכולת גליצרול שונה. השינוי בהתפלגות הצבע האדום סביב המבנה המוצע משקף את הריאקטיביות, בעוד שהעלייה בעוצמה מאשרת את העלייה באלקטרושליליות של מולקולת המודל 3PVA-(C10)2Na Alg עקב העלייה בתכולת הגליצרול.
‏B3LYP/6-311 g(d, p) מחושב טרם MESP של 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg באינטראקציה עם (א) 1 גליי, (ב) 2 גליי, (ג) 3 גליי, (ד) 4 גליי, (ה) 5 גליי, ו-(ו) 6 גליי.
לכל המבנים המוצעים יש פרמטרים תרמיים משלהם, כגון אנתלפיה, אנטרופיה, קיבול חום, אנרגיה חופשית וחום היווצרות, המחושבים בטמפרטורות שונות בטווח שבין 200 קלווין ל-500 קלווין. כדי לתאר את התנהגותן של מערכות פיזיקליות, בנוסף לחקר ההתנהגות האלקטרונית שלהן, יש צורך גם לחקור את התנהגותן התרמית כפונקציה של הטמפרטורה עקב האינטראקציה ביניהן, אשר ניתן לחשב באמצעות המשוואות המוצגות בטבלה 1. מחקר הפרמטרים התרמיים הללו נחשב למדד חשוב לתגובתיות וליציבות של מערכות פיזיקליות כאלה בטמפרטורות שונות.
באשר לאנטלפיה של טרימר PVA, הוא מגיב תחילה עם הדימר NaAlg, לאחר מכן דרך קבוצת OH המחוברת לאטום פחמן מספר 10, ולבסוף עם גליצרול. אנטלפיה היא מדד לאנרגיה במערכת תרמודינמית. אנטלפיה שווה לחום הכולל במערכת, השקול לאנרגיה הפנימית של המערכת בתוספת מכפלת הנפח והלחץ שלה. במילים אחרות, אנטלפיה מראה כמה חום ועבודה מתווספים או מוסרים מחומר.
איור 5 מציג את השינויים באנטלפיה במהלך התגובה של 3PVA-(C10)2Na Alg עם ריכוזי גליצרול שונים. הקיצורים A0, A1, A2, A3, A4 ו-A5 מייצגים את מולקולות המודל 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 ו-3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly, בהתאמה. איור 5a מראה שהאנטלפיה עולה עם עליית הטמפרטורה ותכולת הגליצרול. האנתלפיה של המבנה המייצג 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (כלומר, A5) ב-200 K היא 27.966 קלוריות/מול, בעוד שהאנטלפיה של המבנה המייצג 3PVA-2NaAlg ב-200 K היא 13.490 קלוריות/מול. לבסוף, מכיוון שהאנטלפיה חיובית, תגובה זו היא אנדותרמית.
אנטרופיה מוגדרת כמדד לאנרגיה הלא זמינה במערכת תרמודינמית סגורה, ולעתים קרובות נחשבת כמדד לאי-סדר של המערכת. איור 5ב' מציג את השינוי באנטרופיה של 3PVA-(C10)2NaAlg עם הטמפרטורה וכיצד הוא מגיב עם יחידות גליצרול שונות. הגרף מראה שהאנטרופיה משתנה באופן ליניארי ככל שהטמפרטורה עולה מ-200 קלווין ל-500 קלווין. איור 5ב' מראה בבירור שהאנטרופיה של מודל 3PVA-(C10)2NaAlg נוטה ל-200 קלוריות/קלווין/מול ב-200 קלווין, מכיוון שמודל 3PVA-(C10)2NaAlg מציג פחות אי-סדר בסריג. ככל שהטמפרטורה עולה, מודל 3PVA-(C10)2NaAlg הופך לאי-סדר, מה שמסביר את העלייה באנטרופיה עם עליית הטמפרטורה. יתר על כן, ברור שלמבנה של 3PVA-C10 2NaAlg-5Gly יש את ערך האנטרופיה הגבוה ביותר.
אותה התנהגות נצפית באיור 5c, המציג את השינוי בקיבולת החום עם הטמפרטורה. קיבול חום הוא כמות החום הנדרשת כדי לשנות את הטמפרטורה של כמות נתונה של חומר ב-1°C47. איור 5c מציג את השינויים בקיבולת החום של מולקולת המודל 3PVA-(C10)2NaAlg עקב אינטראקציות עם 1, 2, 3, 4 ו-5 יחידות גליצרול. האיור מראה שקיבול החום של המודל 3PVA-(C10)2NaAlg עולה באופן ליניארי עם הטמפרטורה. העלייה הנצפית בקיבולת החום עם עליית הטמפרטורה מיוחסת לתנודות תרמיות של פונונים. בנוסף, ישנן עדויות לכך שהגדלת תכולת הגליצרול מובילה לעלייה בקיבולת החום של המודל 3PVA-(C10)2NaAlg. יתר על כן, המבנה מראה כי ל-3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly יש את ערך קיבול החום הגבוה ביותר בהשוואה למבנים אחרים.
פרמטרים נוספים כגון אנרגיה חופשית וחום היווצרות סופי חושבו עבור המבנים הנחקרים ומוצגים באיור 5ד' ו-5ה', בהתאמה. חום היווצרות הסופי הוא החום המשתחרר או נספג במהלך היווצרות חומר טהור מיסודותיו המרכיבים תחת לחץ קבוע. ניתן להגדיר אנרגיה חופשית כתכונה הדומה לאנרגיה, כלומר, ערכה תלוי בכמות החומר בכל מצב תרמודינמי. האנרגיה החופשית וחום היווצרות של 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly היו הנמוכים ביותר והיו -1318.338 ו- -1628.154 קק"ל/מול, בהתאמה. לעומת זאת, למבנה המייצג 3PVA-(C10)2NaAlg יש את ערכי האנרגיה החופשית וחום היווצרות הגבוהים ביותר של -690.340 ו- -830.673 קק"ל/מול, בהתאמה, בהשוואה למבנים אחרים. כפי שמוצג באיור 5, תכונות תרמיות שונות משתנות עקב האינטראקציה עם גליצרול. אנרגיית גיבס החופשית שלילית, דבר המצביע על כך שהמבנה המוצע יציב.
PM6 חישב את הפרמטרים התרמיים של 3PVA-(C10)2NaAlg טהור (מודל A0), 3PVA-(C10)2NaAlg − 1 Gly (מודל A1), 3PVA-(C10)2NaAlg − 2 Gly (מודל A2), 3PVA-(C10)2NaAlg − 3 Gly (מודל A3), 3PVA-(C10)2NaAlg − 4 Gly (מודל A4), ו-3PVA-(C10)2NaAlg − 5 Gly (מודל A5), כאשר (א) היא האנתלפיה, (ב) האנטרופיה, (ג) קיבול החום, (ד) אנרגיה חופשית, ו-(ה) חום היווצרות.
מצד שני, אופן האינטראקציה השני בין טרימר PVA ל-NaAlg דימרי מתרחש בקבוצות OH הסופיות והאמצעיות במבנה טרימר PVA. כמו בקבוצה הראשונה, הפרמטרים התרמיים חושבו באמצעות אותה רמת תיאוריה. איור 6a-e מציג את השינויים באנתלפיה, באנטרופיה, בקיבולת החום, באנרגיה חופשית, ובסופו של דבר, בחום ההיווצרות. איורים 6a-c מראים שהאנטלפיה, האנטרופיה וקיבול החום של NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg בטרמינל 1 מציגים את אותה התנהגות כמו הקבוצה הראשונה כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם 1, 2, 3, 4, 5 ו-6 יחידות גליצרול. יתר על כן, ערכיהם עולים בהדרגה עם עליית הטמפרטורה. בנוסף, במודל המוצע של NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg בטרמינל 1, ערכי האנתלפיה, האנטרופיה וקיבול החום עלו עם עליית תכולת הגליצרול. הקיצורים B0, B1, B2, B3, B4, B5 ו-B6 מייצגים את המבנים הבאים בהתאמה: טרמינל 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg, טרמינל 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 1 Gly, טרמינל 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 2gly, טרמינל 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 3gly, טרמינל 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 4 Gly, טרמינל 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 5 Gly ו- טרמינל 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. כפי שמוצג באיור 6a-c, ברור שערכי האנתלפיה, האנטרופיה וקיבול החום עולים ככל שמספר יחידות הגליצרול עולה מ-1 ל-6.
PM6 חישב את הפרמטרים התרמיים של טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg טהור (מודל B0), טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 1 Gly (מודל B1), טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 2 Gly (מודל B2), טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 3 Gly (מודל B3), טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 4 Gly (מודל B4), טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 5 Gly (מודל B5), וטרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 6 Gly (מודל B6), כולל (א) אנתלפיה, (ב) אנטרופיה, (ג) קיבול חום, (ד) אנרגיה חופשית, ו-(ה) חום היווצרות.
בנוסף, למבנה המייצג את טרמינל 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-6Gly יש את הערכים הגבוהים ביותר של אנתלפיה, אנטרופיה וקיבול חום בהשוואה למבנים אחרים. ביניהם, ערכיהם עלו מ-16.703 קלוריות/מול, 257.990 קלוריות/מול/K ו-131.323 קלוריות/מול בטרמינל 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg ל-33.223 קלוריות/מול, 420.038 קלוריות/מול/K ו-275.923 קלוריות/מול בטרמינל 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly, בהתאמה.
עם זאת, איורים 6ד' ו-6ה' מראים את תלות הטמפרטורה של האנרגיה החופשית וחום ההיווצרות הסופי (HF). ניתן להגדיר HF כשינוי האנטלפיה המתרחש כאשר מול אחד של חומר נוצר מיסודותיו בתנאים טבעיים וסטנדרטיים. מהאיור עולה כי האנרגיה החופשית וחום ההיווצרות הסופי של כל המבנים שנחקרו מראים תלות לינארית בטמפרטורה, כלומר, הם עולים בהדרגה ובלינארית עם עליית הטמפרטורה. בנוסף, האיור גם אישר כי למבנה המייצג את Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly יש את האנרגיה החופשית הנמוכה ביותר ואת HF הנמוך ביותר. שני הפרמטרים ירדו מ-758.337- ל-899.741 קילו-קלוריות/מול ב- Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly ל-1,476.591- ו-1,828.523 קילו-קלוריות/מול. מהתוצאות עולה כי HF יורד עם העלייה ביחידות גליצרול. משמעות הדבר היא שבשל העלייה בקבוצות פונקציונליות, גם הריאקטיביות עולה ולכן נדרשת פחות אנרגיה לביצוע התגובה. זה מאשר שניתן להשתמש ב-PVA/NaAlg פלסטיים בסוללות בשל הריאקטיביות הגבוהה שלהם.
באופן כללי, השפעות הטמפרטורה מחולקות לשני סוגים: השפעות של טמפרטורה נמוכה והשפעות של טמפרטורה גבוהה. השפעות הטמפרטורות הנמוכות מורגשות בעיקר במדינות הממוקמות בקווי רוחב גבוהים, כמו גרינלנד, קנדה ורוסיה. בחורף, טמפרטורת האוויר החיצוני במקומות אלה נמוכה בהרבה מאפס מעלות צלזיוס. אורך החיים והביצועים של סוללות ליתיום-יון יכולים להיות מושפעים מטמפרטורות נמוכות, במיוחד אלו המשמשות בכלי רכב חשמליים היברידיים נטענים, כלי רכב חשמליים טהורים וכלי רכב חשמליים היברידיים. מסעות בחלל הם סביבה קרה נוספת הדורשת סוללות ליתיום-יון. לדוגמה, הטמפרטורה על מאדים יכולה לרדת ל-120- מעלות צלזיוס, מה שמהווה מכשול משמעותי לשימוש בסוללות ליתיום-יון בחלליות. טמפרטורות הפעלה נמוכות עלולות להוביל לירידה בקצב העברת המטען ובפעילות התגובה הכימית של סוללות ליתיום-יון, וכתוצאה מכך לירידה בקצב הדיפוזיה של יוני ליתיום בתוך האלקטרודה ובמוליכות היונית באלקטרוליט. הידרדרות זו גורמת להפחתת קיבולת האנרגיה וההספק, ולעיתים אף לירידה בביצועים.
אפקט הטמפרטורה הגבוהה מתרחש במגוון רחב יותר של סביבות יישום, כולל סביבות טמפרטורה גבוהות ונמוכות כאחד, בעוד שאפקט הטמפרטורה הנמוכה מוגבל בעיקר לסביבות יישום בטמפרטורה נמוכה. אפקט הטמפרטורה הנמוכה נקבע בעיקר על ידי טמפרטורת הסביבה, בעוד שאפקט הטמפרטורה הגבוהה מיוחסת בדרך כלל בצורה מדויקת יותר לטמפרטורות הגבוהות בתוך סוללת הליתיום-יון במהלך הפעולה.
סוללות ליתיום-יון מייצרות חום בתנאי זרם גבוהים (כולל טעינה מהירה ופריקה מהירה), מה שגורם לעלייה בטמפרטורה הפנימית. חשיפה לטמפרטורות גבוהות עלולה גם לגרום לירידה בביצועי הסוללה, כולל אובדן קיבולת והספק. בדרך כלל, אובדן ליתיום והשבת חומרים פעילים בטמפרטורות גבוהות מובילים לאובדן קיבולת, ואובדן ההספק נובע מעלייה בהתנגדות הפנימית. אם הטמפרטורה יוצאת משליטה, מתרחשת בריחה תרמית, שבמקרים מסוימים עלולה להוביל לבעירה ספונטנית או אפילו לפיצוץ.
חישובי QSAR הם שיטת מידול חישובית או מתמטית המשמשת לזיהוי קשרים בין פעילות ביולוגית לתכונות מבניות של תרכובות. כל המולקולות שתוכננו עברו אופטימיזציה וחלק מתכונות ה-QSAR חושבו ברמת PM6. טבלה 3 מפרטת כמה מתיאורי ה-QSAR המחושבים. דוגמאות לתיאורים כאלה הן מטען, TDM, אנרגיה כוללת (E), פוטנציאל יינון (IP), Log P וקיטוב (ראה טבלה 1 עבור נוסחאות לקביעת IP ו-Log P).
תוצאות החישוב מראות כי המטען הכולל של כל המבנים שנחקרו הוא אפס מכיוון שהם נמצאים במצב יסוד. עבור הסתברות האינטראקציה הראשונה, ה-TDM של גליצרול היה 2.788 דביי ו-6.840 דביי עבור 3PVA-(C10)2Na Alg, בעוד שערכי ה-TDM עלו ל-17.990 דביי, 8.848 דביי, 5.874 דביי, 7.568 דביי ו-12.779 דביי כאשר 3PVA-(C10)2Na Alg אינטראקציה עם 1, 2, 3, 4 ו-5 יחידות של גליצרול, בהתאמה. ככל שערך ה-TDM גבוה יותר, כך תגובתיותו עם הסביבה גבוהה יותר.
כמו כן חושבה האנרגיה הכוללת (E), ונמצא כי ערכי ה-E של גליצרול ו-3PVA-(C10)2 NaAlg היו -141.833 eV ו- -200092.503 eV, בהתאמה. בינתיים, המבנים המייצגים 3PVA-(C10)2 NaAlg מקיימים אינטראקציה עם 1, 2, 3, 4 ו-5 יחידות גליצרול; E הופך ל- -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 ו- -1548.031 eV, בהתאמה. הגדלת תכולת הגליצרול מובילה לירידה באנרגיה הכוללת ולכן לעלייה בריאקטיביות. בהתבסס על חישוב האנרגיה הכוללת, המסקנה הייתה שמולקולת המודל, שהיא 3PVA-2Na Alg-5 Gly, ריאקטיבית יותר ממולקולות המודל האחרות. תופעה זו קשורה למבנה שלהן. 3PVA-(C10)2NaAlg מכיל רק שתי קבוצות -COONa, בעוד שהמבנים האחרים מכילים שתי קבוצות -COONa אך נושאים מספר קבוצות OH, מה שאומר שהתגובתיות שלהם כלפי הסביבה מוגברת.
בנוסף, אנרגיות היינון (IE) של כל המבנים נלקחות בחשבון במחקר זה. אנרגיית היינון היא פרמטר חשוב למדידת הריאקטיביות של המודל הנחקר. האנרגיה הנדרשת להזזת אלקטרון מנקודה אחת של מולקולה לאינסוף נקראת אנרגיית יינון. היא מייצגת את מידת היינון (כלומר הריאקטיביות) של המולקולה. ככל שאנרגיית היינון גבוהה יותר, כך הריאקטיביות נמוכה יותר. תוצאות ה-IE של אינטראקציה של 3PVA-(C10)2NaAlg עם 1, 2, 3, 4 ו-5 יחידות גליצרול היו -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 ו- -9.323 eV, בהתאמה, בעוד שה-IE של גליצרול ו-3PVA-(C10)2NaAlg היו -5.157 ו- -9.341 eV, בהתאמה. מאחר שהוספת גליצרול הביאה לירידה בערך ה-IP, הריאקטיביות המולקולרית גדלה, מה שמשפר את תחולת מולקולת המודל PVA/NaAlg/גליצרול במכשירים אלקטרוכימיים.
התיאור החמישי בטבלה 3 הוא Log P, שהוא הלוגריתם של מקדם החלוקה ומשמש לתיאור האם המבנה הנחקר הוא הידרופילי או הידרופובי. ערך Log P שלילי מציין מולקולה הידרופילית, כלומר היא מתמוססת בקלות במים ומתמוססת בצורה גרועה בממסים אורגניים. ערך חיובי מציין את התהליך ההפוך.
בהתבסס על התוצאות שהתקבלו, ניתן להסיק שכל המבנים הידרופיליים, מכיוון שערכי ה-Log P שלהם (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly ו-3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) הם -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 ו- -8.504, בהתאמה, בעוד שערך ה-Log P של גליצרול הוא רק -1.081 ו-3PVA-(C10)2Na Alg הוא רק -3.100. משמעות הדבר היא שתכונות המבנה הנחקר ישתנו ככל שמולקולות מים ישולבו במבנהו.
לבסוף, הקיטוביות של כל המבנים מחושבות גם הן ברמת PM6 באמצעות שיטה חצי-אמפירית. צוין בעבר כי הקיטוביות של רוב החומרים תלויה בגורמים שונים. הגורם החשוב ביותר הוא נפח המבנה הנחקר. עבור כל המבנים הכוללים את הסוג הראשון של אינטראקציה בין 3PVA ו-2NaAlg (האינטראקציה מתרחשת דרך אטום פחמן מספר 10), הקיטוביות משתפרת על ידי הוספת גליצרול. הקיטוביות עולה מ-29.690 Å ל-35.076, 40.665, 45.177, 50.239 ו-54.638 Å עקב אינטראקציות עם 1, 2, 3, 4 ו-5 יחידות גליצרול. לפיכך, נמצא כי מולקולת המודל בעלת הקיטוב הגבוה ביותר היא 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, בעוד שמולקולת המודל בעלת הקיטוב הנמוך ביותר היא 3PVA-(C10)2NaAlg, שהיא 29.690 Å.
הערכה של תיאורי QSAR גילתה שהמבנה המייצג 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly הוא הריאקטיבי ביותר עבור האינטראקציה המוצעת הראשונה.
עבור מצב האינטראקציה השני בין טרימר PVA לדימר NaAlg, התוצאות מראות שהמטענים שלהם דומים לאלה שהוצעו בסעיף הקודם עבור האינטראקציה הראשונה. לכל המבנים יש מטען אלקטרוני אפס, מה שאומר שכולם נמצאים במצב יסוד.
כפי שמוצג בטבלה 4, ערכי ה-TDM (מחושבים ברמת PM6) של טרמינל 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg עלו מ-11.581 דביי ל-15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507 ו-15.756 כאשר טרמינל 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg הגיבו עם 1, 2, 3, 4, 5 ו-6 יחידות של גליצרול. עם זאת, האנרגיה הכוללת פוחתת עם העלייה במספר יחידות הגליצרול, וכאשר טרמינל 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg מקיים אינטראקציה עם מספר מסוים של יחידות גליצרול (1 עד 6), האנרגיה הכוללת היא −996.985, −1129.013, −1267.211, −1321.775, −1418.964, ו- −1637.432 eV, בהתאמה.
עבור הסתברות האינטראקציה השנייה, IP, Log P וקיטוב מחושבים גם הם ברמת PM6 של התיאוריה. לכן, הם שקלו שלושה תיאורים חזקים ביותר של ריאקטיביות מולקולרית. עבור המבנים המייצגים End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg המקיימים אינטראקציה עם 1, 2, 3, 4, 5 ו-6 יחידות גליצרול, IP עולה מ- -9.385 eV ל- -8.946, -8.848, -8.430, -9.537, -7.997 ו- -8.900 eV. עם זאת, ערך Log P המחושב היה נמוך יותר עקב פלסטיזציה של End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg עם גליצרול. ככל שתכולת הגליצרול עולה מ-1 ל-6, ערכיה הופכים ל-5.334-, 6.415-, 7.496-, 9.096-, 9.861- ו-10.53- במקום 3.643-. לבסוף, נתוני הקיטוב הראו כי הגדלת תכולת הגליצרול הביאה לעלייה בקיטוב של Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg. הקיטוב של מולקולת המודל Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg עלה מ-31.703 Å ל-63.198 Å לאחר אינטראקציה עם 6 יחידות גליצרול. חשוב לציין כי הגדלת מספר יחידות הגליצרול בהסתברות האינטראקציה השנייה בוצעה כדי לאשר שלמרות המספר הגדול של האטומים והמבנה המורכב, הביצועים עדיין משתפרים עם העלייה בתכולת הגליצרול. לפיכך, ניתן לומר שמודל ה-PVA/NaAlg/גליצרין הזמין יכול להחליף חלקית סוללות ליתיום-יון, אך נדרשים מחקר ופיתוח נוספים.
אפיון יכולת הקישור של משטח לסופח והערכת האינטראקציות הייחודיות בין המערכות דורש ידע על סוג הקשר הקיים בין שני אטומים, מורכבות האינטראקציות הבין-מולקולריות והתוך-מולקולריות, והתפלגות צפיפות האלקטרונים של המשטח והסופח. צפיפות האלקטרונים בנקודת הקשר הקריטית (BCP) בין האטומים המקיימים אינטראקציה היא קריטית להערכת חוזק הקשר בניתוח QTAIM. ככל שצפיפות מטען האלקטרונים גבוהה יותר, כך האינטראקציה הקוולנטית יציבה יותר, ובאופן כללי, כך צפיפות האלקטרונים בנקודות קריטיות אלו גבוהה יותר. יתר על כן, אם גם צפיפות אנרגיית האלקטרונים הכוללת (H(r)) וגם צפיפות המטען של לפלס (∇2ρ(r)) קטנות מ-0, הדבר מצביע על נוכחות של אינטראקציות קוולנטיות (כלליות). מצד שני, כאשר ∇2ρ(r) ו-H(r) גדולות מ-0.54, הדבר מצביע על נוכחות של אינטראקציות לא קוולנטיות (קליפה סגורה) כגון קשרי מימן חלשים, כוחות ואן דר ואלס ואינטראקציות אלקטרוסטטיות. ניתוח QTAIM חשף את אופי האינטראקציות הלא קוולנטיות במבנים שנחקרו, כפי שמוצג באיורים 7 ו-8. בהתבסס על הניתוח, מולקולות המודל המייצגות 3PVA − 2Na Alg ו-Termin 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg הראו יציבות גבוהה יותר מאשר המולקולות המקיימות אינטראקציה עם יחידות גליצין שונות. הסיבה לכך היא שמספר אינטראקציות לא קוולנטיות, הנפוצות יותר במבנה האלגינט, כגון אינטראקציות אלקטרוסטטיות וקשרי מימן, מאפשרות לאלגינט לייצב את החומרים המרוכבים. יתר על כן, תוצאותינו מדגימות את חשיבותן של אינטראקציות לא קוולנטיות בין מולקולות המודל 3PVA − 2Na Alg ו-Termin 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg לבין גליצין, דבר המצביע על כך שגליצין ממלא תפקיד חשוב בשינוי הסביבה האלקטרונית הכוללת של החומרים המרוכבים.
ניתוח QTAIM של מולקולת המודל 3PVA − 2NaAlg המקיימת אינטראקציה עם (א) 0 גליי, (ב) 1 גליי, (ג) 2 גליי, (ד) 3 גליי, (ה) 4 גליי, ו-(ו) 5 גליי.