气体-表面相互作用的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了气体分子Ar在光滑和粗糙Pt表面上的散射规律.提出了一种速度抽样方法,计算了不同温度条件下气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数和吸附概率.结果显示：光滑表面条件下,气体分子的切向动量系数和吸附概率都随着温度的升高而降低;粗糙度对气体分子切向动量与表面的适应具有极大的促进作用,当粗糙度足够大时,切向动量适应系数的大小趋近于1.0,对温度的敏感性也逐渐降低.采用粒子束方法对气体分子在光滑和粗糙表面上的散射规律进行了定量分析.总结了散射过程中气体分子的典型轨迹和动量变化规律,将气体分子在光滑表面的散射分为两种类型：单次碰撞后散射和多次碰撞后散射.单次碰撞后散射的气体分子平均切向动量有所减小,而经过多次碰撞后散射的气体分子则倾向于保持原有的平均切向动量.对于粗糙表面,粗糙度的存在使气体分子与表面间的动量和能量适应更加充分,导致气体分子在较粗糙表面上散射后的平均切向动量大幅减小并接近于0,且气体分子在表面上经历的碰撞次数越多,其散射后的能量损失越严重.     

覆冰垂直粘结强度的测试研究

本文利用自行设计的新型表面覆冰垂直粘结强度测试装置,测试了不同材料表面的覆冰垂直粘结强度,并探讨了基体表面粗糙度、冻冰时间、冰层厚度、冻冰温度等因素对同一材料表面覆冰垂直粘结强度的影响。结果发现,覆冰垂直粘结强度随着材料表面粗糙度增加而增大,随着冰冻温度的升高而降低。而冻冰时间与冰层厚度对覆冰垂直粘结强度的影响较为复杂。     

二维组装纳米银粒子上对巯基苯胺的表面增强拉曼光谱研究

采用表面自组装方法在聚赖氨酸修饰ITO电极表面和对巯基苯胺修饰光滑银表面组装了纳米银粒子的二维结构。FT -SERS光谱结果表明 ,巯基苯胺的吸附取向垂直于金属银表面 ,其中电磁增强机理起主导作用 ,但同时也存在化学增强的贡献。纳米银粒子的“体积效应”使其与吸附分子间的电荷转移更为有利。耦联于纳米银和光滑银表面间的巯基苯胺的拉曼散射增强则与纳米银粒子和光滑银表面的耦合而导致的局部电磁场增强直接相关。     

组装阵列中耦联剂对表面增强拉曼光谱的影响

利用自组装技术,将不同浓度比例的对巯基苯胺和N,N'-二苯基硫脲为功能耦联分子,在光滑银基底表面组装不同表面密度的二维银纳米粒子阵列。通过对组装阵列和粗糙银表面耦联剂分子的表面增强拉曼光谱比较,阵列中对巯基苯胺分子拉曼信号得到了明显的增强,但只有微弱的N,N'-二苯基硫脲的拉曼增强信号,说明在这种组装阵列中得到的拉曼散射增强主要来自于银纳米粒子和光滑银表面之间。     

基于多角度高光谱技术冰的偏振反射特性分析

对于可见光范围内,冰的反射光中包含部分偏振光,尤其是光滑的冰面,往往会使探测器获得的反射信息中包含更多的偏振信息。对淡水冰与海冰的反射信息进行了测量,同时结合角度信息与光谱信息分析了它们之间偏振反射特性的差异。发现在以偏振度为指标的前提下,海冰与淡水冰之间的差异相对反射信息较大,同时冰表现出了其特有的偏振特性。从而偏振测量可以辅助现有遥感技术更好的检测覆盖在地球表面的冰。     

利用拉曼光谱分析冰Ih相的表面薄层的氢键结构

水是生活中一种最基本且最重要的物质,由于它的一些奇特性质和反常物性,得到了广泛的研究,而拉曼光谱是研究水分子结构的一种非常合适的方法,它通过获得分子的振动和转动信息来理解分子结构和分子间的相互作用。在常压下测量了-20～-190 ℃温度范围内冰Ih相的表面薄层的拉曼光谱,实验结果发现随温度降低,冰Ih相的O∶H范德瓦尔斯键向高波数方向移动,而O-H极性共价键向低波数方向移动;且拉曼频移与温度呈线性关系,通过对不同振动模式的斜率进行比较,判断其键长的伸缩变化关系,从而证明了冰Ih相密度随温度的减小而增大,采用氢键理论(结构)给予了解释。同时,发现在-150 ℃时,O-H键反对称伸缩振动模式和O∶H键振动模式的拉曼峰强发生了突变,这表明冰Ih相发生了相变--冰Ⅺ相(冰Ih的质子有序相)。     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

气体分子在石墨表面的吸附与扩散特性

采用分子动力学方法模拟研究气体分子在石墨表面上的吸附和扩散特性,结果表明气体分子在石墨表面上的吸附强度跟石墨中碳原子和气体分子之间的微观作用力密切相关,不同分子在石墨表面上的吸附强度不同。气体分子在石墨表面上的吸附特性符合Langmuir等温吸附模型,压力越高吸附层内分子的密度越高。通过分子的表面扩散系数随着压力的增加而降低的现象以及特定时间内分子运动距离的正常概率分布,发现石墨表面上分子的扩散主要由分子之间的碰撞控制,趋近于体相扩散。分子在石墨表面吸附层内的密度对表面扩散系数的影响非常显著,导致吸附性强的CO_2和H_2S分子扩散系数要明显低于吸附性弱的CH_4和N_2分子.     

风力机叶片覆冰的数值模拟

风力机叶片覆冰会使风力发电效率下降并且威胁风力机组的安全运行。本文采用Fluent中的欧拉多相流模型,通过添加质量传递以及对流换热系数计算模型等,实现了对风力机叶片表面覆冰的二维数值模拟,结果表明:覆冰主要出现在叶片的前缘迎风面,且驻点附近覆冰最多;当增大翼型攻角时,驻点向翼型的下部尾部移动,最大覆冰位置也相应地移动;随着时间的推移,叶片表面覆冰增多。     

Kr/Xe气体在塑料闪烁体表面的吸附与扩散行为研究

采用基于Compass力场的分子动力学(MD)方法,研究了惰性气体氙(Xe)和氪(Kr)在塑料闪烁体(聚乙烯基对甲苯)的平整和粗糙表面的吸附和扩散行为.由惰性气体吸附曲线的均方根位移(MSD),得到了Xe/Kr气体在聚乙烯基对甲苯表面的扩散系数.研究结果表明,Kr/Xe气体均被稳定地吸附在塑料闪烁体表面,其稳定性随着温度的升高而增加,Xe分子的吸附性强于Kr分子. Kr/Xe气体在聚乙烯基对甲苯表面具有较强的扩散性能,扩散深度随着温度与厚度的增加而增加,最大为22.865?,Kr分子扩散能力强于Xe分子.基底粗糙表面增加了两种惰性气体分子的吸附和扩散.     

硫唑嘌呤在银电极表面吸附的SERS光谱表征

本文借助于表面增强拉曼散射(SERS)技术, 对硫唑嘌呤(AZA)分子在银表面的吸附行为及其变化特征进行了研究。研究结果表明, AZA 分子在银表面的吸附位点是嘌呤环上3位的氮原子。进一步研究发现, 其吸附取向随着溶液pH 的改变而发生变化。这一转变过程通过 AZA 分子的 SERS 特征谱峰的强度有规律的显著变化而得以表征。     

半胱胺单分子膜结构的表面增强拉曼散射研究(英文)

在金属电极表面所形成的有机分子的单分子膜或薄膜对于基础研究和实际应用都有着极其重要的意义。以化学吸附形式在金电极表面所形成的半胱胺单分子膜,常常用于蛋白质等生物大分子在金属表面进行吸附的连接层,以避免这些生物大分子在金属表面直接吸附而造成的变性、失活现象的发生。本文报道了我们采用表面增强拉曼散射光谱方法研究在金电极表面吸附的半胱胺单分子膜的结构特征。研究结果表明,在金电极表面所形成的半胱胺单分子膜中,半胱胺分子主要的构型为扭转构型。在与金表面的相互作用中,由于除巯基的结合作用以外,还存在半胱胺分子中端基氨基和金表面较强的亲和性,使得以扭转构型吸附在金表面的半胱胺单分子膜相当稳定。这是金电极表面的半胱胺单分子膜结构的主要行征。当考察外加电势对此单分子膜结构的影响时,可以发现有关扭转构型的特征谱峰其相对强度随着电位负移而减小。这一结构随电位的变化关系可以通过表面电势的变化对氨基氮原子上孤对电子与金属表面间相互作用的影响来加以阐释。     

表面活性剂溶液粗粒化模型couette流动模拟

本文主要利用粗粒化分子动力学方法对不同浓度下表面活性剂水溶液在couette流动过程中胶束的形成、速度分布与流变性规律进行了研究。结果表明,对于相同浓度的表面活性剂溶液,随着剪切速率的增大,胶束完全动态平衡时间越来越小;而随着表面活性剂分子浓度的增加,胶束动态平衡时间也越来越小,形成胶束越来越快。在剪切速率与溶液剪切黏度关系方面,保持表面活性剂分子浓度不变情况下,随着剪切速率的增大,剪切黏度逐渐减小,呈现剪切稀化特征。     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

超光滑表面及其制造技术的发展

超光滑表面制造技术是超精密加工技术的一个重要分支。通过介绍超光滑表面的特征、应用及其制造技术的发展,希望给出超光滑表面技术的整体轮廓。在介绍超光滑表面的概念及其主要特征的基础上,通过典型例证指出了超光滑表面的软X射线光学、激光陀螺等科技领域的重要应用。回顾了超光滑表面制造技术的发展过程,对各种超光滑表面加工原理与方法进行了简单描述与评价。最后提出了对超光滑表面制造技术的发趋势的观点。     

用3D眼镜片（偏振片）演示光的偏振

1偏振片在现代生活中的应用 随着科学技术的发展,偏振技术在生活中应用越来越多．拍摄表面光滑的物体,如玻璃器皿、水面时,加用偏振镜,能够阻挡这些偏振光,借以消除或减弱这些光滑物体表面的亮斑．看立体电影时,     

纳米沟槽表面黏着接触过程的分子动力学模拟研究

采用大规模分子动力学方法研究了刚性球型探头与具有不同纳米沟槽基体表面的黏着接触过程,探讨了表面沟槽结构对载荷-位移曲线、接触引力和拉离力以及材料转移的影响规律.研究结果表明:在相同的压入深度下,与原子级光滑表面的黏着接触过程相比,刚性探头与具有纳米沟槽结构基体表面的接触压力较小,接触加载过程中的引力作用范围较大,并伴随载荷的多次跳跃,且接触引力和拉离力均有减小;当沟槽深度相同时,随着沟槽宽度的增大,接触引力和拉离力逐渐减小,当沟槽宽度逐渐接近探头与光滑表面的接触直径时,接触引力和拉离力又逐渐增大,趋于接近探头与光滑表面的接触过程;当沟槽宽度相同时,随着沟槽深度的增大,接触引力相对减小,拉离力变化不大.     

纳米结构表面液氮淬火换热特性研究

本文研究了电抛光的光滑表面和阳极氧化的纳米结构表面对液氮淬火换热的影响,实验结果表明纳米结构表面将莱登佛罗斯特点的温度从光滑表面的111.9 K提高到209.6 K,临界热流密度从光滑表面的146.3 kW/m~2提高到纳米结构表面的326.2 kW/m2。在过渡沸腾阶段,纳米结构表面的沸腾换热系数从429.2 W/(m~2·K)增加到5737.2 W/(m~2·K),光滑表面换热系数从518.9 W/(m~2·K)急剧上升到8822.9 W/(m~2·K)。虽然纳米结构表面的最大换热系数小于光滑表面,但纳米结构表面上发生沸腾模式转变的莱登佛罗斯特点的温度远高于光滑表面,因此纳米结构表面的换热能力远大于光滑表面。     

纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究

表面形貌很大程度上决定了摩擦副的摩擦性能, 而所有的表面都不可能是绝对光滑的.由于摩擦表面形貌的随机性, 决定了实际的摩擦过程具有随机性的特点, 因此为了获得与随机形貌对应的摩擦特性, 建立合理的随机摩擦模型是必要的. 本文基于Lennard-Jones势能建立了纳米级随机粗糙表面和原子级光滑的刚性平面间的随机摩擦模型; 模型中, 界面势能由法向载荷和界面间平衡距离决定.通过数值计算的方法, 推导了微观滑动摩擦力的计算公式和摩擦力与法向载荷之间的关系. 研究结果表明摩擦力随着法向载荷的增加而增加, 但不是线性增长. 结果也说明界面间的表面势能可能是微观摩擦力的本质起源. 关键词： 随机粗糙表面 Lennard-Jones势能 微滑动摩擦力 微摩擦     

湖冰双向反射特征的现场观测研究

冰面反照率是用来研究寒区水域大气和水体之间能量交换的重要参数,可以通过遥感数据反演得到。但是卫星遥感观测的波长和角度都相对固定,而且视场角有限,因此获得的表面反射率并不等价于反照率,还需要根据下垫面情况进行各向异性校正。冰的前向散射很强,而且光学性质对其物理参数非常敏感,因此不同物理性质的冰在不同方向上的反射率也有很大的差异,给冰面反照率的反演带来了不确定性。为了解决这些问题, 2019年2月在内蒙古乌梁素海湖对五种性质各异的冰进行了光学性质的现场观测,测量类型包括:(Ⅰ)阴天不均匀气泡冰;(Ⅱ)表层有大量泥沙的冰;(Ⅲ)稀疏大气泡冰;(Ⅳ)致密小气泡冰;(Ⅴ)融化冰,并对彼此之间的反照率、双向反射因子(BRDF)以及各向异性反射因子(ARF)光谱特征的差异进行对比分析。结果表明:随着太阳天顶角的增大,除融化冰的反照率出现了下降以外,其余冰面反照率都出现不同程度的增大。冰的双向反射特征呈现出明显的各向异性,在前向散射方向会形成一个反射的峰值点,该点的位置会受冰表情况的影响,而峰值点以外方向上的反射光主要来自冰内体散射,这部分对观测的天顶角不敏感,而对方位角的敏感性在短波段会受到冰内部组分均匀程度的影响,在长波段几乎不受影响。在对冰的BRDF谱线分析时发现,冰的体散射谱线形状和反照率谱线很相似,但是在长波段的减小速度更快,即体散射在短波段能量更加集中,而在前向散射方向接近反射峰值点位置上,能量在长波段更加集中,短波段较少。分析ARF谱线可以发现,冰的体散射对反照率的贡献随波长的增大而减小,而冰表面反射情况相反。更重要的是各测量点的ARF谱线的大小顺序和BRDF谱线的顺序并不相同,说明即使在观测角度一致时,不同冰的反照率反演参数并不相同。