纳米通道内表面浸润性对气泡的作用

运用分子动力学模拟方法研究了在质量力驱动下不同浸润性壁面纳米通道中气泡的分布及其运动状况, 提出了一种统计纳米通道中气泡运动速度的方法. 结果显示, 在亲水性壁面的纳米通道中, 气泡位于通道中间, 气泡的运动速度接近但小于通道中心流速, 在势能强度较大时, 壁面吸附的分子较多, 气泡也较大, 反之则气泡较小; 对超疏水性壁面, 气泡则位于固壁附近, 两个壁面形成对称的一对气泡, 气泡的运动速度接近但大于边缘速度. 流体总的流动速度随着流体粒子与壁面粒子作用的减弱而增大, 滑移速度则逐渐从负转变为正.     

水在纳米管道中流动行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米管道内水分子的流动行为. 考察了压强差、 管道直径和管道长度对通量的影响, 验证了流体在直径为2～2.8 nm管道中的流动行为符合Hagen-Poiseuille(HP)方程. 研究发现, 末端效应具有长度依赖性, 对于较短的管道其末端效应更为显著. 为了深入了解真实非均匀管道的流动行为, 使用直径不同的2种管道以不同的连接顺序组合成4种非均匀管道模型, 最终得到了不同的流量. 提出了二元管道模型, 对非均匀管道内的流动行为进行了初步探讨.     

纳米器件的分子动力学模拟

分子动力学广泛应用于分子体系, 但受限于计算能力, 一般难以用于纳米器件的研究. 本文采用自主开发的超大规模分子动力学仿真程序(NanoMD), 构建了原子级的纳米齿轮模型, 并以此为代表实现了对具有高速转动特性的纳米器件的模拟. 通过位错和缺陷分析, 确定了纳米器件在高速转动过程中的应力分布以及失效机制, 并明确了以极限弹性转速为依据的材料强度衡量模式. 研究发现纳米器件在极限转速方面存在明显的尺寸效应: 随着器件直径的减小而单调增大, 随着轴径的缩小而先增大后减小.     

高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、 动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、 回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.     

两端系留纳米粒子聚合物的分子动力学模拟

两端系留纳米粒子聚合物是研究末端对聚合物链弛豫行为影响的优选分子模型.本文构建了两端系留纳米粒子聚合物模型,运用粗粒化分子动力学方法研究了两端系留纳米粒子聚合物的特征温度和弛豫行为,探讨了纳米粒子半径和聚合物链长对玻璃化转变温度、结晶温度和介电性能的影响.研究表明,聚合物两端纳米粒子的存在可延缓聚合物链的弛豫并促进结晶,使两端系留纳米粒子聚合物的玻璃化转变温度和结晶温度均增加.研究结果与相关的实验报道吻合,可加深对两端系留纳米粒子聚合物结构和性能的理解.     

复杂多相流动分子动力学模拟在GPU上的实现

利用CUDA（Compute Unified Device Architecture）技术进行了图形处理器（GPU）上的分子动力学（MD）模拟．在一片TeslaC870上,其速度20～60倍于Intel Xeon 5430 CPU之单核,最高可达150 Gflops．通过方腔流及颗粒一气泡接触等实例初步展示了此方式从微观上模拟介观行为的能力．     

分子动力学模拟纳米晶体银的结构和性能

通过分子动力学方法,采用以局域密度（LDA）近似和二阶动量矩（SMA）近似为基础的多体势函数,模拟了纳米面心立方晶体银的结构,对模拟的结果进了不同尺寸的纳米晶体的能量分布,弹性常数,表面能及熔点等计算,并与相应的实验结果进行了比较,结果表明采用此多体势函数模拟纳米晶体的结构和性能,比用其它势函数更精确,与实验结果更吻合。     

高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟

利用高分子-纳米粒子粗粒化模型,对高分子纳米复合材料(polymer nano-composites,PNC)的拉伸、压缩及平衡态过程进行分子动力学模拟研究.通过模拟PNC的拉伸及压缩过程,研究纳米粒子大小、质量分数对PNC力学性能的影响及拉伸、压缩过程中PNC体系微观交联网络的变化.在纳米粒子表面积或质量分数相同的情况下,小尺寸纳米粒子对PNC的力学性能增强效果更显著.对于含有质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC体系,随纳米粒子质量分数增加,其力学性能增强,但增强程度逐渐减弱,且对于拉伸过程的材料增强效应,纳米粒子的质量分数存在最优值.在PNC体系中存在高分子-高分子(polymer-polymer)、高分子-纳米粒子(polymer-NP)2种微观交联网络,拉伸及压缩过程中PNC体系中2种微观交联网络的变化趋势不同,PNC拉伸及压缩产生应力的微观机制也相应有所不同.此外,对含质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC平衡态过程的模拟研究表明,PNC体系中2种微观交联网络的比例直接影响其力学性能的变化,而纳米粒子的聚集则会降低PNC的力学性能增强效果.     

纳米尺度氩液体线物性的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法,对纳米尺度氩液体线的物理性质进行了研究。文中模拟计算了纳米线的熔点温度以及气液平衡状态下液态区密度、气态区密度和液体线的半径,并分析了模拟盒子尺寸和模拟温度对液体线物性的影响。结果表明,由于在初始结构中增加了气体分子,当模拟温度不变时,随模拟盒子尺寸的增加,液态区密度增大,气态区密度减小。但模拟盒子尺寸较小时,液体线半径不随模拟盒子尺寸发生变化。模拟计算所得的液态区密度十分接近宏观尺度氩液体密度时,模拟盒子的尺寸较合适。当模拟盒子尺寸固定不变时,液态区密度和气态区密度随温度的变化趋势与文献中宏观尺度氩液体和气体密度的变化趋势相同。结论可以为进一步系统地分析纳米尺度液体线的稳定性提供一定的依据。     

分子动力学方法研究纳米摩擦问题

分子动力学方法中忽略了电子相互作用,因而具有高效率,可以从原子水平研究大体系的动态过程。随着计算技术的进步,分子动力学逐渐在纳米工程领域显现了巨大的应用前景。本文综述了利用分子动力学方法从微观角度研究摩擦行为的进展,同时也就其进一步的应用做了展望。     

气体在无定型聚异戊二烯中扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了多个温度下氧气、氮气及甲烷在无定型顺式1,4-聚异戊二烯中的扩散系数。在模拟过程中,使用COMPASS力场作为分子力场。应用COMPASS力场的势能函数,聚合物的密度及玻璃化转变温度的计算结果与实验值有较好吻合。在278-378 K的温度范围内,通过3或1.5 ns时长的正则系综动力学模拟,计算了不同温度下氧气、氮气及甲烷的扩散系数。结果表明,根据爱因斯坦关系式计算得到的扩散系数与实验结果比较接近。对气体扩散系数与温度的关系进一步研究,发现在278-378 K温度范围内,甲烷的扩散系数随温度变化的半对数曲线图是非线性的,而氧气和氮气的扩散系数随温度变化的半对数曲线图是线性的。本文研究结果有助于理解温度对气体扩散的影响机制,并为高温下气体在天然橡胶中扩散系数的测定及天然橡胶热氧老化建模分析提供依据。     

分子模拟研究气体在室温离子液体中的溶解度

在作者先前建立的分子力场基础上, 采用Widom粒子插入法预测了CO₂、N₂、O₂、Ar及CH₄等5种气体在多种咪唑类离子液体中的溶解度, 包括2种侧链长度的阳离子和3种阴离子. 首先考察了256个离子对组成的体系中溶质分子插入次数对计算结果的影响, 在此基础上计算了不同温度下气体在1-丁基-3-甲基咪唑的四氟化硼盐([bmim][BF₄])和六氟化磷盐([bmim][PF₆])中的溶解度. 计算结果正确反映了CO₂气体溶解度的变化趋势, 在[bmim][BF₄]中溶解度的模拟结果与实验值符合很好, 且明显优于Pádua等的模拟结果；在[bmim][PF₆]中的溶解度较实验值偏高, 精度与文献模拟结果相当；并预测了较高温度下CO₂气体在[bmim][BF₄]和[bmim][PF₆]中的溶解度. 计算结果也正确地反映了5种气体在[bmim][PF₆]中溶解度实验值的相对大小. 另外考察了常温下几种气体在不同室温离子液体中的溶解度, 模拟结果表明气体在含有较长碳链和双-三氟甲基磺酰胺阴离子(Tf₂N^－)的离子液体中溶解度较大.     

用分子动力学模拟天然气水合物的抑制效应

用分子动力学模拟方法确定了结构H型(SH)天然气水合物的稳定晶体生长面为(001), 系统研究了277 K时三种动力学抑制剂对此晶面的影响. 模拟显示抑制剂中的氧与表面水分子形成氢键, 从而破坏原有的稳定结构, 造成水合物笼型结构坍塌, 达到抑制水合物形成的效果. 比较三种不同动力学抑制剂对SH的抑制效果得出: PVCap＞PEO＞PVP. 在此基础上研究了PVCap对天然气水合物结构I型(SI), 结构II型(SII)和SH三种不同晶型的抑制效应. 模拟发现抑制效果的次序为: SH＞SI＞SII.     

超临界L-J流体混合物互扩散性质的分子动力学模拟

采用分子动力学方法计算了超临界Lennard-Jones(L-J)流体混合物的扩散性质, 分析了超临界条件下二元L-J混合流体(Ar-Kr体系)中各组分的自扩散系数及Maxwell-Stefan互扩散系数随组分的变化情况. 结果表明, 与Darken公式能很好地应用于常规条件下的Ar-Kr体系不同, 超临界条件下的Maxwell-Stefan扩散系数明显大于Darken公式的预测值, 不同原子间的速度互相关函数不可忽略且为正相关.     

热力学抑制剂作用下甲烷水合物分解过程的分子动力学模拟

采用正则系综(NVT)分子动力学方法模拟研究277.0 K、11.45 mol·L-1的热力学抑制剂乙二醇(EG)溶液作用下甲烷水合物分解微观过程. 模拟显示甲烷水合物的分解从甲烷水合物固体表面开始, 逐渐向内部推移, 固态水合物在分解过程中逐渐缩小, 直至消失. 固态水合物的分解从晶格扭曲变形开始, 之后笼形框架结构破裂, 最后形成笼形结构碎片. 同时已经分解的甲烷水合物在外层形成水膜, 包裹里层正在分解的甲烷水合物, 增大里层甲烷水合物分解传质阻力.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1：1 的甲醇-水混合溶液在纳米碳管（CNT）中的静态结构以及输运行为. 研究发现：在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失. 另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

高分子在受限稀溶液中的结构和动力学性质

利用平衡态及非平衡态耗散粒子动力学模拟方法, 分别研究了平衡态和流场作用下受限高分子在稀溶液中的链结构和动力学. 采用没有滑移和密度涨落的边界条件模拟纳米管道环境, 进而研究了高分子回转半径和扩散系数对受限强度及高分子与溶剂间相互作用的依赖关系. 在非平衡态模拟中, 分别考虑了Poiseuille和Couette两种流场. 研究发现, 在这两种流场作用下, 高分子都随着溶剂与高分子排斥作用的降低而向管道中心迁移. 在强流场下, 在Poiseuille流场中高分子密度呈现出双峰分布, 而在Couette流场中则呈现为单峰分布.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1:1的甲醇-水混合溶液在纳米碳管(CNT)中的静态结构以及输运行为.研究发现:在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失.另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.