نشكركم على زيارة موقع nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام أحدث إصدار من المتصفح (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). بالإضافة إلى ذلك، ولضمان استمرار الدعم، لن يتضمن هذا الموقع أنماط CSS أو JavaScript.
نظراً لوفرة الصوديوم، تُعدّ بطاريات أيونات الصوديوم حلاً بديلاً واعداً لتخزين الطاقة الكهروكيميائية. حالياً، يتمثل العائق الرئيسي أمام تطوير تقنية بطاريات أيونات الصوديوم في نقص مواد الأقطاب الكهربائية القادرة على تخزين/إطلاق أيونات الصوديوم بشكل عكسي لفترة طويلة. لذا، تهدف هذه الدراسة إلى بحث تأثير إضافة الجلسرين نظرياً على مزيج كحول البولي فينيل (PVA) وألجينات الصوديوم (NaAlg) كمواد لأقطاب بطاريات أيونات الصوديوم. تركز هذه الدراسة على الخصائص الإلكترونية والحرارية، بالإضافة إلى وصف العلاقة الكمية بين التركيب والنشاط (QSAR) للإلكتروليتات البوليمرية القائمة على مزيج كحول البولي فينيل وألجينات الصوديوم والجلسرين. تمّت دراسة هذه الخصائص باستخدام طرق شبه تجريبية ونظرية الكثافة الوظيفية (DFT). ولأن التحليل البنيوي كشف تفاصيل التفاعلات بين كحول البولي فينيل/الألجينات والجلسرين، فقد تمّت دراسة طاقة فجوة النطاق (Eg). تُظهر النتائج أن إضافة الجلسرين تُؤدي إلى انخفاض قيمة Eg إلى 0.2814 إلكترون فولت. يُبين سطح الجهد الكهروستاتيكي الجزيئي (MESP) توزيع المناطق الغنية والفقيرة بالإلكترونات والشحنات الجزيئية في نظام الإلكتروليت بأكمله. تشمل المعاملات الحرارية المدروسة المحتوى الحراري (H)، والإنتروبيا (ΔS)، والسعة الحرارية (Cp)، وطاقة جيبس ​​الحرة (G)، وحرارة التكوين. بالإضافة إلى ذلك، تم في هذه الدراسة بحث العديد من مؤشرات العلاقة الكمية بين التركيب والنشاط (QSAR)، مثل عزم ثنائي القطب الكلي (TDM)، والطاقة الكلية (E)، وجهد التأين (IP)، ومعامل التوزيع (Log P)، والاستقطابية. أظهرت النتائج أن H وΔS وCp وG وTDM تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة ومحتوى الجلسرين. في الوقت نفسه، انخفضت حرارة التكوين وIP وE، مما حسّن من التفاعلية والاستقطابية. بالإضافة إلى ذلك، أدى إضافة الجلسرين إلى زيادة جهد الخلية إلى 2.488 فولت. تُظهر حسابات DFT وPM6 القائمة على الإلكتروليتات القائمة على الجلسرين PVA/Na Alg الفعالة من حيث التكلفة أنها يمكن أن تحل جزئيًا محل بطاريات الليثيوم أيون نظرًا لتعدد وظائفها، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات والبحوث.
على الرغم من الاستخدام الواسع لبطاريات الليثيوم أيون، إلا أن تطبيقاتها تواجه العديد من القيود نظرًا لقصر عمرها الافتراضي، وتكلفتها العالية، ومخاوف السلامة. قد تُصبح بطاريات الصوديوم أيون بديلاً عمليًا لبطاريات الليثيوم أيون نظرًا لتوافرها الواسع، وتكلفتها المنخفضة، وعدم سمية عنصر الصوديوم. تُصبح بطاريات الصوديوم أيون نظامًا متزايد الأهمية لتخزين الطاقة في الأجهزة الكهروكيميائية. تعتمد هذه البطاريات بشكل كبير على الإلكتروليتات لتسهيل نقل الأيونات وتوليد التيار الكهربائي. تتكون الإلكتروليتات السائلة بشكل أساسي من أملاح معدنية ومذيبات عضوية. تتطلب التطبيقات العملية دراسة متأنية لسلامة الإلكتروليتات السائلة، خاصةً عند تعرض البطارية لإجهاد حراري أو كهربائي.
من المتوقع أن تحل بطاريات أيونات الصوديوم محل بطاريات أيونات الليثيوم في المستقبل القريب نظرًا لوفرة مواردها في المحيطات، وعدم سميتها، وانخفاض تكلفة موادها. وقد ساهم تصنيع المواد النانوية في تسريع تطوير أجهزة تخزين البيانات والأجهزة الإلكترونية والبصرية. وأظهرت العديد من الدراسات استخدام هياكل نانوية متنوعة (مثل أكاسيد المعادن، والجرافين، والأنابيب النانوية، والفوليرين) في بطاريات أيونات الصوديوم. وتركزت الأبحاث على تطوير مواد الأنود، بما في ذلك البوليمرات، لبطاريات أيونات الصوديوم نظرًا لتعدد استخداماتها وملاءمتها للبيئة. ولا شك أن الاهتمام البحثي في ​​مجال بطاريات البوليمر القابلة لإعادة الشحن سيزداد. ومن المرجح أن تمهد مواد أقطاب البوليمر الجديدة ذات الهياكل والخصائص الفريدة الطريق لتقنيات تخزين الطاقة الصديقة للبيئة. وعلى الرغم من استكشاف العديد من مواد أقطاب البوليمر لاستخدامها في بطاريات أيونات الصوديوم، إلا أن هذا المجال لا يزال في مراحله الأولى. لذا، لا يزال هناك حاجة لاستكشاف المزيد من مواد البوليمر ذات التكوينات الهيكلية المختلفة لبطاريات أيونات الصوديوم. استنادًا إلى معرفتنا الحالية بآلية تخزين أيونات الصوديوم في مواد أقطاب البوليمر، يُمكن افتراض أن مجموعات الكربونيل والجذور الحرة والذرات غير المتجانسة في النظام المترافق تُشكل مواقع نشطة للتفاعل مع أيونات الصوديوم. لذا، من الضروري تطوير بوليمرات جديدة ذات كثافة عالية من هذه المواقع النشطة. يُعدّ إلكتروليت البوليمر الهلامي (GPE) تقنية بديلة تُحسّن موثوقية البطارية، وموصلية الأيونات، وانعدام التسريب، والمرونة العالية، والأداء الجيد.
تشمل المصفوفات البوليمرية مواد مثل بولي فينيل الكحول (PVA) وأكسيد البولي إيثيلين (PEO)¹³. يعمل البوليمر الهلامي النفاذ (GPE) على تثبيت الإلكتروليت السائل داخل المصفوفة البوليمرية، مما يقلل من خطر التسرب مقارنةً بالفواصل التجارية¹⁴. يُعد PVA بوليمرًا صناعيًا قابلًا للتحلل الحيوي، يتميز بنفاذية عالية، وانخفاض تكلفته، وعدم سميته. يُعرف هذا البوليمر بخصائصه في تكوين الأغشية، وثباته الكيميائي، وقدرته على الالتصاق. كما أنه يحتوي على مجموعات وظيفية (OH) وكثافة عالية لإمكانية الربط المتقاطع¹⁵،¹⁶،¹⁷. وقد استُخدمت تقنيات مزج البوليمرات، وإضافة الملدنات، وإضافة المركبات، والبلمرة الموضعية لتحسين موصلية الإلكتروليتات البوليمرية القائمة على PVA، وذلك لتقليل بلورية المصفوفة وزيادة مرونة السلسلة¹⁸،¹⁹،²⁰.
يُعدّ المزج طريقةً مهمةً لتطوير المواد البوليمرية للتطبيقات الصناعية. تُستخدم مزائج البوليمرات غالبًا للأغراض التالية: (1) تحسين خصائص معالجة البوليمرات الطبيعية في التطبيقات الصناعية؛ (2) تحسين الخصائص الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية للمواد القابلة للتحلل الحيوي؛ (3) التكيف مع الطلب المتغير بسرعة على مواد جديدة في صناعة تغليف الأغذية. على عكس البلمرة المشتركة، يُعدّ مزج البوليمرات عمليةً منخفضة التكلفة تستخدم عمليات فيزيائية بسيطة بدلًا من العمليات الكيميائية المعقدة لتحقيق الخصائص المطلوبة.²¹ لتكوين البوليمرات المتجانسة، يمكن أن تتفاعل البوليمرات المختلفة من خلال قوى ثنائية القطب، أو روابط هيدروجينية، أو معقدات نقل الشحنة.^22،23 يمكن للمزائج المصنوعة من البوليمرات الطبيعية والاصطناعية أن تجمع بين التوافق الحيوي الجيد والخصائص الميكانيكية الممتازة، مما يُنتج مادةً فائقة الجودة بتكلفة إنتاج منخفضة.^24،25 لذلك، كان هناك اهتمام كبير بإنتاج مواد بوليمرية ذات صلة حيوية عن طريق مزج البوليمرات الاصطناعية والطبيعية. يمكن دمج بولي فينيل الكحول (PVA) مع ألجينات الصوديوم (NaAlg)، والسليلوز، والكيتوزان، والنشا.²⁶
ألجينات الصوديوم بوليمر طبيعي وعديد سكاريد أنيوني يُستخلص من الطحالب البنية البحرية. يتكون ألجينات الصوديوم من حمض D-مانورونيك (M) المرتبط بروابط β-(1-4) وحمض L-جولورونيك (G) المرتبط بروابط α-(1-4)، مُنظمين في أشكال متجانسة (بولي-M وبولي-G) وكتل غير متجانسة (MG أو GM)²⁷. يؤثر محتوى ونسبة كتل M وG بشكل كبير على الخصائص الكيميائية والفيزيائية للألجينات^28،29. يُستخدم ألجينات الصوديوم على نطاق واسع ويُدرس على نطاق واسع نظرًا لقابليته للتحلل الحيوي، وتوافقه الحيوي، وانخفاض تكلفته، وخصائصه الجيدة في تكوين الأغشية، وعدم سميته. مع ذلك، فإن وجود عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل (OH) والكربوكسيلات (COO) الحرة في سلسلة الألجينات يجعلها شديدة المحبة للماء. ومع ذلك، فإن الألجينات تتميز بخصائص ميكانيكية ضعيفة بسبب هشاشتها وصلابتها. لذلك، يمكن دمج الألجينات مع مواد اصطناعية أخرى لتحسين حساسية الماء والخواص الميكانيكية 30،31.
قبل تصميم مواد أقطاب كهربائية جديدة، تُستخدم حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) غالبًا لتقييم جدوى تصنيع هذه المواد. إضافةً إلى ذلك، يستخدم العلماء النمذجة الجزيئية لتأكيد نتائج التجارب والتنبؤ بها، وتوفير الوقت، وتقليل النفايات الكيميائية، والتنبؤ بسلوك التفاعلات.³² وقد أصبحت النمذجة الجزيئية فرعًا علميًا هامًا وقويًا في العديد من المجالات، بما في ذلك علم المواد، والمواد النانوية، والكيمياء الحاسوبية، واكتشاف الأدوية.^33،34 وباستخدام برامج النمذجة، يستطيع العلماء الحصول مباشرةً على البيانات الجزيئية، بما في ذلك الطاقة (حرارة التكوين، وجهد التأين، وطاقة التنشيط، وما إلى ذلك) والهندسة (زوايا الروابط، وأطوال الروابط، وزوايا الالتواء).³⁵ كما يمكن حساب الخصائص الإلكترونية (الشحنة، وطاقة فجوة النطاق HOMO وLUMO، والألفة الإلكترونية)، والخصائص الطيفية (أنماط الاهتزاز المميزة وشدتها، مثل أطياف FTIR)، والخصائص الكلية (الحجم، والانتشار، واللزوجة، ومعامل المرونة، وما إلى ذلك).³⁶
يُظهر LiNiPO4 مزايا محتملة في منافسة مواد الأقطاب الموجبة لبطاريات الليثيوم أيون نظرًا لكثافة طاقته العالية (جهد تشغيل يبلغ حوالي 5.1 فولت). وللاستفادة القصوى من مزايا LiNiPO4 في نطاق الجهد العالي، يلزم خفض جهد التشغيل، لأن الإلكتروليت عالي الجهد المُطور حاليًا لا يحافظ على استقراره النسبي إلا عند جهود أقل من 4.8 فولت. وقد درس تشانغ وزملاؤه تطعيم جميع المعادن الانتقالية من السلسلة 3d و4d و5d في موقع النيكل في LiNiPO4، واختاروا أنماط التطعيم ذات الأداء الكهروكيميائي الممتاز، وضبطوا جهد تشغيل LiNiPO4 مع الحفاظ على استقرار أدائه الكهروكيميائي. وكانت أدنى جهود التشغيل التي حصلوا عليها 4.21 و3.76 و3.5037 فولت لـ LiNiPO4 المُطعم بالتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم على التوالي.
لذا، تهدف هذه الدراسة إلى بحث تأثير الجلسرين كمُلدّن على الخصائص الإلكترونية، ومؤشرات علاقة التركيب بالنشاط الكمي (QSAR)، والخصائص الحرارية لنظام PVA/NaAlg، وذلك باستخدام حسابات ميكانيكا الكم لتطبيقه في بطاريات أيون-أيون قابلة لإعادة الشحن. وقد تم تحليل التفاعلات الجزيئية بين نموذج PVA/NaAlg والجلسرين باستخدام نظرية بادر للذرات الكمية للجزيئات (QTAIM).
تم تحسين نموذج جزيئي يمثل تفاعل بولي فينيل الكحول (PVA) مع ألجينات الصوديوم (NaAlg) ثم مع الجلسرين باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). حُسب النموذج باستخدام برنامج Gaussian 0938 في قسم التحليل الطيفي بالمركز القومي للبحوث بالقاهرة، مصر. وتم تحسين النماذج باستخدام DFT عند مستوى B3LYP/6-311G(d, p)^39,40,41,42. وللتحقق من التفاعل بين النماذج المدروسة، أظهرت دراسات التردد التي أُجريت عند نفس مستوى النظرية استقرار الهندسة المُحسَّنة. ويؤكد غياب الترددات السالبة بين جميع الترددات المُقاسة البنية المُستنتجة في الحد الأدنى الموجب الحقيقي على سطح طاقة الوضع. حُسبت المعلمات الفيزيائية، مثل عزم ثنائي القطب الانتقالي (TDM) وفجوة نطاق HOMO/LUMO وجهد السطح الكهروستاتيكي الجزيئي (MESP)، عند نفس مستوى نظرية ميكانيكا الكم. بالإضافة إلى ذلك، حُسبت بعض المعاملات الحرارية، مثل حرارة التكوين النهائية، والطاقة الحرة، والإنتروبيا، والإنثالبي، والسعة الحرارية، باستخدام الصيغ الواردة في الجدول 1. خضعت النماذج المدروسة لتحليل نظرية الكم للذرات في الجزيئات (QTAIM) لتحديد التفاعلات التي تحدث على سطح البنى المدروسة. أُجريت هذه الحسابات باستخدام الأمر "output=wfn" في برنامج Gaussian 09، ثم عُرضت النتائج باستخدام برنامج Avogadro.
حيث E هي الطاقة الداخلية، وP هو الضغط، وV هو الحجم، وQ هو التبادل الحراري بين النظام وبيئته، وT هي درجة الحرارة، وΔH هو التغير في المحتوى الحراري، وΔG هو التغير في الطاقة الحرة، وΔS هو التغير في الإنتروبيا، وa وb هما معاملا الاهتزاز، وq هي الشحنة الذرية، وC هي كثافة الإلكترونات الذرية.^44،45 وأخيرًا، تم تحسين نفس البنى وحساب معاملات QSAR عند مستوى PM6 باستخدام برنامج SCIGRESS⁴⁶ في قسم التحليل الطيفي بالمركز القومي للبحوث بالقاهرة، مصر.
في دراستنا السابقة⁴⁷، قمنا بتقييم النموذج الأكثر احتمالاً الذي يصف تفاعل ثلاث وحدات من بولي فينيل الكحول (PVA) مع وحدتين من ألجينات الصوديوم (NaAlg)، حيث يعمل الجلسرين كملدّن. وكما ذكرنا سابقاً، توجد احتمالاتان لتفاعل PVA وNaAlg. النموذجان، المُسميان 3PVA-2NaAlg (بناءً على عدد ذرات الكربون 10) وTerm 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg، يتميزان بأصغر قيمة لفجوة الطاقة⁴⁸ مقارنةً بالبنى الأخرى المدروسة. لذلك، تم التحقق من تأثير إضافة الجلسرين على النموذج الأكثر احتمالاً لبوليمر مزيج PVA/NaAlg باستخدام البنيتين الأخيرتين: 3PVA-(C10)2NaAlg (يُشار إليها اختصاراً بـ 3PVA-2NaAlg) وTerm 1NaAlg − 3PVA-Mid 1NaAlg. ووفقاً للمراجع العلمية، لا يُمكن لـ PVA وNaAlg والجلسرين تكوين سوى روابط هيدروجينية ضعيفة بين المجموعات الوظيفية الهيدروكسيلية. بما أن كلاً من ثلاثي وحدات PVA وثنائي وحدات NaAlg والجليسرول يحتويان على عدة مجموعات OH، فإن التلامس يمكن تحقيقه من خلال إحدى هذه المجموعات. يوضح الشكل 1 التفاعل بين جزيء الجليسرول النموذجي وجزيء 3PVA-2NaAlg النموذجي، بينما يوضح الشكل 2 النموذج المُنشأ للتفاعل بين جزيء Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg وتراكيز مختلفة من الجليسرول.
الهياكل المحسنة: (أ) يتفاعل Gly و 3PVA − 2Na Alg مع (ب) 1 Gly، (ج) 2 Gly، (د) 3 Gly، (هـ) 4 Gly، و (و) 5 Gly.
الهياكل المحسنة لـ Term 1Na Alg- 3PVA –Mid 1Na Alg المتفاعلة مع (أ) 1 Gly، (ب) 2 Gly، (ج) 3 Gly، (د) 4 Gly، (هـ) 5 Gly، و (و) 6 Gly.
تُعدّ طاقة فجوة النطاق الإلكتروني مُعاملًا هامًا يجب مراعاته عند دراسة تفاعلية أي مادة قطب كهربائي، لأنها تصف سلوك الإلكترونات عند تعرّض المادة لتغيرات خارجية. لذا، من الضروري تقدير طاقات فجوة النطاق الإلكتروني لمستويي HOMO/LUMO لجميع البنى المدروسة. يُبيّن الجدول 2 التغيرات في طاقات HOMO/LUMO لمركبي 3PVA-(C10)2Na Alg وTerm 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg نتيجة إضافة الجلسرين. وفقًا للمرجع 47، تبلغ قيمة Eg لمركب 3PVA-(C10)2Na Alg 0.2908 إلكترون فولت، بينما تبلغ قيمة Eg للبنية التي تعكس احتمالية التفاعل الثاني (أي Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) 0.5706 إلكترون فولت.
مع ذلك، وُجد أن إضافة الجلسرين أدت إلى تغيير طفيف في قيمة Eg لمركب 3PVA-(C10)2Na Alg. فعندما تفاعل هذا المركب مع 1، 2، 3، 4، و5 وحدات من الجلسرين، أصبحت قيم Eg له 0.302، 0.299، 0.308، 0.289، و0.281 إلكترون فولت على التوالي. لكن من الملاحظ أن قيمة Eg أصبحت أقل من قيمة Eg لمركب 3PVA-(C10)2Na Alg بعد إضافة 3 وحدات من الجلسرين. ويُعد النموذج الذي يُمثل تفاعل مركب 3PVA-(C10)2Na Alg مع 5 وحدات من الجلسرين هو النموذج الأكثر احتمالاً. وهذا يعني أنه مع ازدياد عدد وحدات الجلسرين، يزداد احتمال التفاعل.
في الوقت نفسه، بالنسبة لاحتمالية التفاعل الثانية، تصبح طاقات HOMO/LUMO للجزيئات النموذجية التي تمثل Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly، وTerm 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly، وTerm 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly، وTerm 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly، وTerm 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly، وTerm 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly هي 1.343، و1.347، و0.976، و0.607، و0.348، و0.496 إلكترون فولت. على التوالي. يوضح الجدول 2 طاقات فجوة النطاق المحسوبة لمستويي HOMO/LUMO لجميع البنى. علاوة على ذلك، يتكرر هنا نفس سلوك احتمالات التفاعل للمجموعة الأولى.
تنص نظرية النطاقات في فيزياء الحالة الصلبة على أنه كلما انخفضت فجوة النطاق لمادة القطب، زادت الموصلية الإلكترونية للمادة. يُعد التطعيم طريقة شائعة لتقليل فجوة النطاق لمواد كاثود أيونات الصوديوم. استخدم جيانغ وزملاؤه تطعيم النحاس لتحسين الموصلية الإلكترونية لمواد β-NaMnO2 الطبقية. وباستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، وجدوا أن التطعيم قلل فجوة النطاق للمادة من 0.7 إلكترون فولت إلى 0.3 إلكترون فولت. يشير هذا إلى أن تطعيم النحاس يُحسّن الموصلية الإلكترونية لمادة β-NaMnO2.
يُعرَّف جهد الاستقطاب الجزيئي (MESP) بأنه طاقة التفاعل بين توزيع الشحنة الجزيئية وشحنة موجبة واحدة. يُعدّ جهد الاستقطاب الجزيئي أداة فعّالة لفهم وتفسير الخصائص الكيميائية والتفاعلية. ويمكن استخدامه لفهم آليات التفاعلات بين المواد البوليمرية. يصف جهد الاستقطاب الجزيئي توزيع الشحنة داخل المركب قيد الدراسة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر جهد الاستقطاب الجزيئي معلومات حول المواقع النشطة في المواد قيد الدراسة. يوضح الشكل 3 مخططات MESP لـ 3PVA-(C10) 2Na Alg، و3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly، و3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly، و3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly، و3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly، و3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly المتوقعة عند مستوى نظرية B3LYP/6-311G(d, p).
تم حساب خطوط MESP باستخدام B3LYP/6-311 g(d, p) لـ (أ) Gly و 3PVA − 2Na Alg المتفاعلة مع (ب) 1 Gly، (ج) 2 Gly، (د) 3 Gly، (هـ) 4 Gly، و (و) 5 Gly.
في الوقت نفسه، يُظهر الشكل 4 نتائج حسابات جهد الاستقطاب الكهروستاتيكي (MESP) للعينات التالية: Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg، وTerm 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg- 1Gly، وTerm 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly، وTerm 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly، وTerm 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly، وTerm 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg- 5gly، وTerm 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly. يُعرض جهد الاستقطاب الكهروستاتيكي المحسوب على شكل منحنى كفافي، حيث تُمثل الخطوط الكفافية بألوان مختلفة، يُشير كل لون منها إلى قيمة كهرسلبية مختلفة. ويُشير اللون الأحمر إلى المواقع ذات الكهرسلبية العالية أو المواقع شديدة التفاعل. في الوقت نفسه، يُمثل اللون الأصفر المواقع المحايدة 49 و50 و51 في البنية. أظهرت نتائج MESP أن تفاعلية 3PVA-(C10)2Na Alg تزداد مع ازدياد اللون الأحمر حول النماذج المدروسة. في المقابل، تنخفض شدة اللون الأحمر في خريطة MESP لجزيء النموذج Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg نتيجةً للتفاعل مع محتوى الجلسرين المختلف. يعكس التغير في توزيع اللون الأحمر حول البنية المقترحة التفاعلية، بينما يؤكد ازدياد شدته ازدياد السالبية الكهربية لجزيء النموذج 3PVA-(C10)2Na Alg نتيجةً لزيادة محتوى الجلسرين.
B3LYP/6-311 g(d, p) تم حساب MESP Terr of 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg المتفاعل مع (أ) 1 Gly، (ب) 2 Gly، (ج) 3 Gly، (د) 4 Gly، (هـ) 5 Gly، و (و) 6 Gly.
تم حساب المعاملات الحرارية لجميع البنى المقترحة، مثل المحتوى الحراري والإنتروبيا والسعة الحرارية والطاقة الحرة وحرارة التكوين، عند درجات حرارة مختلفة تتراوح بين 200 كلفن و500 كلفن. ولوصف سلوك الأنظمة الفيزيائية، فإنه بالإضافة إلى دراسة سلوكها الإلكتروني، من الضروري أيضًا دراسة سلوكها الحراري كدالة لدرجة الحرارة نتيجة لتفاعلها مع بعضها البعض، وهو ما يمكن حسابه باستخدام المعادلات الواردة في الجدول 1. وتُعد دراسة هذه المعاملات الحرارية مؤشرًا هامًا على استجابة واستقرار هذه الأنظمة الفيزيائية عند درجات حرارة مختلفة.
أما بالنسبة لمحتوى الحرارة لثلاثي بولي فينيل الكحول، فإنه يتفاعل أولاً مع ثنائي ألجينات الصوديوم، ثم عبر مجموعة الهيدروكسيل المرتبطة بذرة الكربون رقم 10، وأخيراً مع الجلسرين. محتوى الحرارة هو مقياس للطاقة في نظام ديناميكي حراري. يساوي محتوى الحرارة إجمالي الحرارة في النظام، وهو ما يعادل الطاقة الداخلية للنظام مضافاً إليها حاصل ضرب حجمه في ضغطه. بعبارة أخرى، يوضح محتوى الحرارة مقدار الحرارة والشغل المضاف إلى المادة أو المنزوع منها.
يوضح الشكل 5 تغيرات المحتوى الحراري أثناء تفاعل 3PVA-(C10)2Na Alg مع تراكيز مختلفة من الجلسرين. تشير الاختصارات A0، A1، A2، A3، A4، وA5 إلى جزيئات النموذج 3PVA-(C10)2Na Alg، و3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly، على التوالي. يُظهر الشكل 5أ أن المحتوى الحراري يزداد مع ارتفاع درجة الحرارة ومحتوى الجلسرين. تبلغ قيمة المحتوى الحراري للبنية التي تمثل 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (أي A5) عند درجة حرارة 200 كلفن 27.966 كالوري/مول، بينما تبلغ قيمة المحتوى الحراري للبنية التي تمثل 3PVA- 2NaAlg عند درجة حرارة 200 كلفن 13.490 كالوري/مول. وبما أن المحتوى الحراري موجب، فإن هذا التفاعل ماص للحرارة.
يُعرَّف الإنتروبيا بأنه مقياس للطاقة غير المتاحة في نظام ديناميكي حراري مغلق، وغالبًا ما يُعتبر مقياسًا لاضطراب النظام. يوضح الشكل 5ب تغير إنتروبيا 3PVA-(C10)2NaAlg مع درجة الحرارة وكيفية تفاعله مع وحدات الجلسرين المختلفة. يُظهر الرسم البياني أن الإنتروبيا تتغير خطيًا مع ارتفاع درجة الحرارة من 200 كلفن إلى 500 كلفن. يُبين الشكل 5ب بوضوح أن إنتروبيا نموذج 3PVA-(C10)2NaAlg تميل إلى 200 كالوري/كلفن/مول عند 200 كلفن، وذلك لأن هذا النموذج يُظهر اضطرابًا شبكيًا أقل. مع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح نموذج 3PVA-(C10)2NaAlg أكثر اضطرابًا، وهو ما يُفسر زيادة الإنتروبيا مع ارتفاع درجة الحرارة. علاوة على ذلك، من الواضح أن بنية 3PVA-C10 2Na Alg- 5 Gly لها أعلى قيمة إنتروبيا.
يُلاحظ السلوك نفسه في الشكل 5ج، الذي يُظهر تغير السعة الحرارية مع درجة الحرارة. السعة الحرارية هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة كمية معينة من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة. يُبين الشكل 5ج تغيرات السعة الحرارية للجزيء النموذجي 3PVA-(C10)2NaAlg نتيجةً للتفاعلات مع 1، 2، 3، 4، و5 وحدات من الجلسرين. يُظهر الشكل أن السعة الحرارية للجزيء النموذجي 3PVA-(C10)2NaAlg تزداد خطيًا مع درجة الحرارة. تُعزى الزيادة الملحوظة في السعة الحرارية مع ارتفاع درجة الحرارة إلى الاهتزازات الحرارية للفونونات. بالإضافة إلى ذلك، هناك أدلة على أن زيادة محتوى الجلسرين تؤدي إلى زيادة السعة الحرارية للجزيء النموذجي 3PVA-(C10)2NaAlg. علاوة على ذلك، يُظهر التركيب أن 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly يمتلك أعلى قيمة للسعة الحرارية مقارنةً بالتركيبات الأخرى.
تم حساب معايير أخرى، مثل الطاقة الحرة وحرارة التكوين النهائية، للهياكل المدروسة، وهي موضحة في الشكلين 5د و5هـ على التوالي. حرارة التكوين النهائية هي الحرارة المنطلقة أو الممتصة أثناء تكوين مادة نقية من عناصرها المكونة تحت ضغط ثابت. يمكن تعريف الطاقة الحرة بأنها خاصية مشابهة للطاقة، أي أن قيمتها تعتمد على كمية المادة في كل حالة ديناميكية حرارية. كانت الطاقة الحرة وحرارة التكوين لمركب 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly هما الأدنى، حيث بلغتا -1318.338 و-1628.154 كيلو كالوري/مول على التوالي. في المقابل، يتميز الهيكل الذي يمثل 3PVA-(C10)2NaAlg بأعلى قيم للطاقة الحرة وحرارة التكوين، حيث بلغتا -690.340 و-830.673 كيلو كالوري/مول على التوالي، مقارنةً بالهياكل الأخرى. كما هو موضح في الشكل 5، تتغير العديد من الخصائص الحرارية نتيجةً للتفاعل مع الجلسرين. طاقة جيبس ​​الحرة سالبة، مما يشير إلى أن البنية المقترحة مستقرة.
قام برنامج PM6 بحساب المعاملات الحرارية لـ 3PVA- (C10) 2Na Alg النقي (النموذج A0)، و3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (النموذج A1)، و3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (النموذج A2)، و3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (النموذج A3)، و3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (النموذج A4)، و3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (النموذج A5)، حيث (أ) هي المحتوى الحراري، (ب) الإنتروبيا، (ج) السعة الحرارية، (د) الطاقة الحرة، و(هـ) حرارة التكوين.
من جهة أخرى، يحدث نمط التفاعل الثاني بين ثلاثي وحدات PVA وثنائي وحدات NaAlg في مجموعتي OH الطرفية والوسطى في بنية ثلاثي وحدات PVA. وكما في المجموعة الأولى، حُسبت المعاملات الحرارية باستخدام نفس مستوى النظرية. يوضح الشكل 6 (أ-هـ) تغيرات المحتوى الحراري، والإنتروبيا، والسعة الحرارية، والطاقة الحرة، وحرارة التكوين. تُظهر الأشكال 6 (أ-ج) أن المحتوى الحراري، والإنتروبيا، والسعة الحرارية لمركب Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg تُظهر نفس سلوك المجموعة الأولى عند تفاعلها مع 1، 2، 3، 4، 5، و6 وحدات من الجلسرين. علاوة على ذلك، تزداد قيمها تدريجيًا مع ارتفاع درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، في نموذج Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg المقترح، تزداد قيم المحتوى الحراري، والإنتروبيا، والسعة الحرارية مع زيادة محتوى الجلسرين. تمثل الاختصارات B0 و B1 و B2 و B3 و B4 و B5 و B6 الهياكل التالية على التوالي: 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 و Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. كما هو موضح في الشكل 6 أ - ج، من الواضح أن قيم المحتوى الحراري والإنتروبيا والسعة الحرارية تزداد مع زيادة عدد وحدات الجلسرين من 1 إلى 6.
قام برنامج PM6 بحساب المعاملات الحرارية لـ Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg النقي (النموذج B0)، وTerm 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (النموذج B1)، وTerm 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (النموذج B2)، وTerm 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (النموذج B3)، وTerm 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (النموذج B4)، وTerm 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (النموذج B5)، وTerm 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (النموذج B6)، بما في ذلك (أ) المحتوى الحراري، (ب) الإنتروبيا، (ج) السعة الحرارية، (د) الطاقة الحرة، و(هـ) حرارة التكوين.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز التركيب الذي يمثل Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg- 6 Gly بأعلى قيم للمحتوى الحراري والإنتروبيا والسعة الحرارية مقارنةً بالتركيبات الأخرى. وقد ارتفعت هذه القيم من 16.703 كالوري/مول، و257.990 كالوري/مول/كلفن، و131.323 كيلو كالوري/مول في Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg إلى 33.223 كالوري/مول، و420.038 كالوري/مول/كلفن، و275.923 كيلو كالوري/مول في Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly، على التوالي.
مع ذلك، يُظهر الشكلان 6د و6هـ اعتماد الطاقة الحرة وحرارة التكوين النهائية (HF) على درجة الحرارة. تُعرَّف حرارة التكوين النهائية بأنها التغير في المحتوى الحراري الذي يحدث عند تكوين مول واحد من مادة ما من عناصرها في الظروف الطبيعية والقياسية. يتضح من الشكل أن الطاقة الحرة وحرارة التكوين النهائية لجميع البنى المدروسة تُظهر اعتمادًا خطيًا على درجة الحرارة، أي أنها تزداد تدريجيًا وبشكل خطي مع ارتفاع درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، أكد الشكل أيضًا أن البنية التي تُمثل Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly تمتلك أدنى طاقة حرة وأدنى حرارة تكوين نهائية. انخفضت كلتا القيمتين من -758.337 إلى -899.741 كلفن كالوري/مول في Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly إلى -1476.591 و-1828.523 كلفن كالوري/مول على التوالي. يتضح من النتائج أن تركيز فلوريد الهيدروجين (HF) ينخفض ​​مع زيادة وحدات الجلسرين. وهذا يعني أنه مع زيادة المجموعات الوظيفية، تزداد الفعالية الكيميائية، وبالتالي تقل الطاقة اللازمة لإتمام التفاعل. ويؤكد هذا أن بولي فينيل الكحول/ألجينات الصوديوم الملدن (PVA/NaAlg) يُمكن استخدامه في البطاريات نظرًا لفعاليته الكيميائية العالية.
بشكل عام، تُقسم تأثيرات درجة الحرارة إلى نوعين: تأثيرات درجات الحرارة المنخفضة وتأثيرات درجات الحرارة المرتفعة. وتُلاحظ تأثيرات درجات الحرارة المنخفضة بشكل رئيسي في البلدان الواقعة على خطوط العرض العليا، مثل غرينلاند وكندا وروسيا. ففي فصل الشتاء، تنخفض درجة حرارة الهواء الخارجي في هذه المناطق إلى ما دون الصفر المئوي. ويمكن أن تتأثر أعمار بطاريات الليثيوم أيون وأداؤها بدرجات الحرارة المنخفضة، لا سيما تلك المستخدمة في المركبات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن، والمركبات الكهربائية بالكامل، والمركبات الكهربائية الهجينة. ويُعد السفر إلى الفضاء بيئة باردة أخرى تتطلب استخدام بطاريات الليثيوم أيون. فعلى سبيل المثال، قد تنخفض درجة الحرارة على سطح المريخ إلى -120 درجة مئوية، مما يُشكل عائقًا كبيرًا أمام استخدام بطاريات الليثيوم أيون في المركبات الفضائية. ويمكن أن تؤدي درجات حرارة التشغيل المنخفضة إلى انخفاض معدل نقل الشحنة ونشاط التفاعل الكيميائي في بطاريات الليثيوم أيون، مما ينتج عنه انخفاض في معدل انتشار أيونات الليثيوم داخل القطب الكهربائي وانخفاض في الموصلية الأيونية في الإلكتروليت. ويؤدي هذا التدهور إلى انخفاض سعة الطاقة والقدرة، وأحيانًا إلى انخفاض الأداء.
يحدث تأثير درجة الحرارة المرتفعة في نطاق أوسع من بيئات التطبيق، بما في ذلك بيئات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة، بينما يقتصر تأثير درجة الحرارة المنخفضة بشكل رئيسي على بيئات التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة. ويتحدد تأثير درجة الحرارة المنخفضة بشكل أساسي بدرجة الحرارة المحيطة، في حين يُعزى تأثير درجة الحرارة المرتفعة عادةً إلى درجات الحرارة المرتفعة داخل بطارية الليثيوم أيون أثناء التشغيل.
تُنتج بطاريات الليثيوم أيون حرارةً عند تعرضها لتيارات كهربائية عالية (بما في ذلك الشحن والتفريغ السريعين)، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها الداخلية. كما يُمكن أن يُؤدي التعرض لدرجات حرارة عالية إلى تدهور أداء البطارية، بما في ذلك فقدان السعة والطاقة. عادةً، يُؤدي فقدان الليثيوم واستعادة المواد الفعالة عند درجات الحرارة العالية إلى فقدان السعة، بينما يُعزى فقدان الطاقة إلى زيادة المقاومة الداخلية. في حال خروج درجة الحرارة عن السيطرة، يحدث هروب حراري، والذي قد يُؤدي في بعض الحالات إلى احتراق تلقائي أو حتى انفجار.
تُعدّ حسابات QSAR طريقةً حسابيةً أو رياضيةً لنمذجة العلاقة بين النشاط البيولوجي والخصائص البنيوية للمركبات. خضعت جميع الجزيئات المصممة للتحسين، وحُسبت بعض خصائص QSAR باستخدام نموذج PM6. يوضح الجدول 3 بعضًا من مؤشرات QSAR المحسوبة، ومنها على سبيل المثال: الشحنة، وTDM، والطاقة الكلية (E)، وجهد التأين (IP)، وLog P، والاستقطابية (انظر الجدول 1 للاطلاع على صيغ حساب IP وLog P).
تُظهر نتائج الحسابات أن الشحنة الكلية لجميع البنى المدروسة تساوي صفرًا نظرًا لوجودها في الحالة الأرضية. بالنسبة لاحتمالية التفاعل الأولى، كانت قيمة TDM للجليسرول 2.788 ديباي و6.840 ديباي لمركب 3PVA-(C10)2Na Alg، بينما ارتفعت قيم TDM إلى 17.990 ديباي، و8.848 ديباي، و5.874 ديباي، و7.568 ديباي، و12.779 ديباي عند تفاعل مركب 3PVA-(C10)2Na Alg مع 1، و2، و3، و4، و5 وحدات من الجليسرول على التوالي. كلما ارتفعت قيمة TDM، زادت فعالية المركب في التفاعل مع البيئة المحيطة.
تم حساب الطاقة الكلية (E)، ووجد أن قيم E للجليسرول و3PVA-(C10)2 NaAlg هي -141.833 إلكترون فولت و-200092.503 إلكترون فولت على التوالي. في الوقت نفسه، تتفاعل البنى التي تمثل 3PVA-(C10)2 NaAlg مع 1، 2، 3، 4، و5 وحدات جليسرول؛ فتصبح قيم E هي -996.837، -1108.440، -1238.740، -1372.075، و-1548.031 إلكترون فولت على التوالي. تؤدي زيادة محتوى الجليسرول إلى انخفاض في الطاقة الكلية، وبالتالي إلى زيادة في التفاعل. بناءً على حساب الطاقة الكلية، استُنتج أن الجزيء النموذجي، وهو 3PVA-2Na Alg-5 Gly، أكثر تفاعلاً من الجزيئات النموذجية الأخرى. ترتبط هذه الظاهرة ببنيتها. يحتوي 3PVA-(C10)2NaAlg على مجموعتين فقط من -COONa، بينما تحتوي الهياكل الأخرى على مجموعتين من -COONa ولكنها تحمل العديد من مجموعات OH، مما يعني أن تفاعلها مع البيئة يزداد.
بالإضافة إلى ذلك، تمّ في هذه الدراسة تحديد طاقات التأين لجميع البنى. تُعدّ طاقة التأين معيارًا هامًا لقياس فعالية النموذج المدروس. تُعرف طاقة التأين بأنها الطاقة اللازمة لنقل إلكترون من نقطة في الجزيء إلى ما لا نهاية، وهي تمثل درجة تأين الجزيء (أي فعاليته). كلما زادت طاقة التأين، انخفضت الفعالية. بلغت نتائج طاقة التأين لمركب 3PVA-(C10)2NaAlg المتفاعل مع 1، 2، 3، 4، و5 وحدات من الجلسرين -9.256، -9.393، -9.393، -9.248، و-9.323 إلكترون فولت على التوالي، بينما بلغت طاقة التأين للجلسرين ومركب 3PVA-(C10)2NaAlg -5.157 و-9.341 إلكترون فولت على التوالي. بما أن إضافة الجلسرين أدت إلى انخفاض في قيمة IP، فقد زادت التفاعلية الجزيئية، مما يعزز قابلية تطبيق جزيء PVA/NaAlg/الجلسرين النموذجي في الأجهزة الكهروكيميائية.
المؤشر الخامس في الجدول 3 هو Log P، وهو لوغاريتم معامل التوزيع، ويُستخدم لوصف ما إذا كان التركيب المدروس محبًا للماء أم كارهًا له. تشير قيمة Log P السالبة إلى جزيء محب للماء، أي أنه يذوب بسهولة في الماء ويذوب بصعوبة في المذيبات العضوية. أما القيمة الموجبة فتشير إلى عكس ذلك.
بناءً على النتائج المُتحصَّل عليها، يُمكن استنتاج أن جميع البنى مُحِبّة للماء، حيث أن قيم معامل التوزيع (Log P) لكلٍّ من (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly، و3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) هي -3.537، و-5.261، و-6.342، و-7.423، و-8.504 على التوالي، بينما تبلغ قيمة معامل التوزيع للجلسرين -1.081 فقط، وقيمة معامل التوزيع لـ 3PVA-(C10)2Na Alg -3.100 فقط. هذا يعني أن خصائص البنية المدروسة ستتغير عند دمج جزيئات الماء فيها.
أخيرًا، تم حساب استقطابية جميع البنى عند مستوى PM6 باستخدام طريقة شبه تجريبية. وقد لوحظ سابقًا أن استقطابية معظم المواد تعتمد على عوامل متعددة، أهمها حجم البنية قيد الدراسة. بالنسبة لجميع البنى التي تتضمن النوع الأول من التفاعل بين 3PVA و2NaAlg (يحدث التفاعل عبر ذرة الكربون رقم 10)، تتحسن الاستقطابية بإضافة الجلسرين. وتزداد الاستقطابية من 29.690 أنغستروم إلى 35.076، 40.665، 45.177، 50.239، و54.638 أنغستروم نتيجةً للتفاعلات مع 1، 2، 3، 4، و5 وحدات جلسرين على التوالي. وهكذا، وجد أن الجزيء النموذجي ذو أعلى استقطابية هو 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly، بينما الجزيء النموذجي ذو أدنى استقطابية هو 3PVA-(C10)2NaAlg، وهو 29.690 أنجستروم.
كشف تقييم واصفات QSAR أن البنية التي تمثل 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly هي الأكثر تفاعلاً بالنسبة للتفاعل المقترح الأول.
بالنسبة لنمط التفاعل الثاني بين ثلاثي وحدات PVA وثنائي وحدات NaAlg، تُظهر النتائج أن شحناتهما مماثلة لتلك المقترحة في القسم السابق للتفاعل الأول. جميع البنى لها شحنة إلكترونية صفرية، مما يعني أنها جميعًا في الحالة الأرضية.
كما هو موضح في الجدول 4، زادت قيم TDM (المحسوبة عند مستوى PM6) لـ Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg من 11.581 ديباي إلى 15.756، 19.720، 21.756، 22.732، 15.507، و15.756 عندما تفاعل Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg مع 1، 2، 3، 4، 5، و6 وحدات من الجلسرين. ومع ذلك، تنخفض الطاقة الكلية مع زيادة عدد وحدات الجلسرين، وعندما يتفاعل Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg مع عدد معين من وحدات الجلسرين (من 1 إلى 6)، تكون الطاقة الكلية − 996.985، − 1129.013، − 1267.211، − 1321.775، − 1418.964، و − 1637.432 إلكترون فولت، على التوالي.
بالنسبة لاحتمالية التفاعل الثانية، تم حساب طاقة التأين (IP) ومعامل التوزيع (Log P) والاستقطابية باستخدام نظرية PM6. وبذلك، تم الأخذ بعين الاعتبار أقوى ثلاثة مؤشرات لتفاعلية الجزيئات. بالنسبة للهياكل التي تمثل End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg المتفاعلة مع 1، 2، 3، 4، 5، و6 وحدات من الجلسرين، تزداد طاقة التأين من -9.385 إلكترون فولت إلى -8.946، -8.848، -8.430، -9.537، -7.997، و-8.900 إلكترون فولت على التوالي. مع ذلك، كانت قيمة معامل التوزيع (Log P) المحسوبة أقل نتيجةً لتأثير الجلسرين على تلدين End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg. مع زيادة محتوى الجلسرين من 1 إلى 6، تصبح قيمه -5.334، -6.415، -7.496، -9.096، -9.861، و-10.53 بدلاً من -3.643. وأظهرت بيانات الاستقطابية أن زيادة محتوى الجلسرين تؤدي إلى زيادة استقطابية المركب Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg. وقد زادت استقطابية هذا المركب من 31.703 أنغستروم إلى 63.198 أنغستروم بعد تفاعله مع 6 وحدات من الجلسرين. ومن الجدير بالذكر أن زيادة عدد وحدات الجلسرين في احتمالية التفاعل الثانية تهدف إلى التأكيد على أنه على الرغم من العدد الكبير للذرات والتركيب المعقد، إلا أن الأداء يتحسن مع زيادة محتوى الجلسرين. وبالتالي، يمكن القول أن نموذج PVA/Na Alg/الجلسرين المتاح يمكن أن يحل جزئياً محل بطاريات الليثيوم أيون، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث والتطوير.
يتطلب تحديد قدرة سطح ما على الارتباط بمادة ممتزة، وتقييم التفاعلات الفريدة بين الأنظمة، معرفة نوع الرابطة الموجودة بين أي ذرتين، ومدى تعقيد التفاعلات بين الجزيئات وداخلها، وتوزيع كثافة الإلكترونات على السطح والمادة الممتزة. تُعد كثافة الإلكترونات عند نقطة الربط الحرجة (BCP) بين الذرات المتفاعلة بالغة الأهمية لتقييم قوة الرابطة في تحليل QTAIM. كلما زادت كثافة شحنة الإلكترونات، زاد استقرار التفاعل التساهمي، وبشكل عام، تزداد كثافة الإلكترونات عند هذه النقاط الحرجة. علاوة على ذلك، إذا كانت كل من كثافة طاقة الإلكترونات الكلية (H(r)) وكثافة شحنة لابلاس (∇2ρ(r)) أقل من الصفر، فهذا يشير إلى وجود تفاعلات تساهمية (عامة). من جهة أخرى، عندما تتجاوز قيمتا ∇2ρ(r) وH(r) 0.54، يشير ذلك إلى وجود تفاعلات غير تساهمية (ذات غلاف إلكتروني مغلق) مثل الروابط الهيدروجينية الضعيفة، وقوى فان دير فالس، والتفاعلات الكهروستاتيكية. وقد كشف تحليل QTAIM عن طبيعة التفاعلات غير التساهمية في البنى المدروسة، كما هو موضح في الشكلين 7 و8. وبناءً على هذا التحليل، أظهرت الجزيئات النموذجية التي تمثل 3PVA − 2Na Alg وTerm 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg استقرارًا أعلى من الجزيئات المتفاعلة مع وحدات جليسين مختلفة. ويعود ذلك إلى أن عددًا من التفاعلات غير التساهمية، الأكثر شيوعًا في بنية الألجينات، مثل التفاعلات الكهروستاتيكية والروابط الهيدروجينية، تُسهم في استقرار المركبات. علاوة على ذلك، تُظهر نتائجنا أهمية التفاعلات غير التساهمية بين جزيئات النموذج 3PVA − 2Na Alg و Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg والجليسين، مما يشير إلى أن الجليسين يلعب دورًا مهمًا في تعديل البيئة الإلكترونية العامة للمركبات.
تحليل QTAIM للجزيء النموذجي 3PVA − 2NaAlg المتفاعل مع (أ) 0 Gly، (ب) 1 Gly، (ج) 2 Gly، (د) 3 Gly، (هـ) 4 Gly، و (و) 5Gly.