应用分子动力学模拟和拉曼光谱对钙、镁、氯离子 水化现象的研究

应用分子动力学方法,模拟了298 K下,密度为1.0 g/cm~3的水溶液中Ca²⁺,Mg²⁺,Cl~-的水化现象,得到了相应离子周围水分子的微观分布情况.发现在钙离子周围,水分子以其氧离子去靠近中心离子;而在氯离子周围,水分子则以其中的一个氢原子去靠近中心离子.通过分析三种离子的径向分布函数、配位数曲线、水化数、水化半径,发现Ca²⁺的水化数和水化半径均大于Mg²⁺,即Ca²⁺的水合能力比Mg²⁺强.与以往研究结果相比,本文计算所得的自扩散系数更接近实验所得结果.为了使模型更好的代表真实水溶液体系,本文还应用分子动力学和拉曼光谱法研究了不同浓度的CaCl₂水溶液.分子动力学研究发现随着浓度的升高,CaCl₂溶液中Ca²⁺,Cl~-的配位数分别呈降低趋势.同时,随着浓度的升高,Ca²⁺,Cl~-的自扩散系数也呈现降低的趋势.作者推断这是由于浓度的升高,加剧了离子的微观反...     

聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯各向异性光学性质理论研究

作为重要的光学薄膜材料,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)在诸多工业领域已得到广泛应用.本文利用密度泛函理论结合分子动力学方法深入系统地研究了这两种聚合物的各向异性光学性质,并对比分析了不同分子链长度和微观结构对其各向异性光学性质的影响.计算结果表明PMMA和PC都具有较高的本征双折射率,且分子链长度对本征折射率的影响显著.在可见光范围内,单体单元PMMA本征双折射率在10%以上,而三单元结构本征折射率则不到4%.对于体相结构多聚体,从立方结构拉伸到厚度仅有6?的过程中,PC不同方向折射率最大差异高达6%,而同样情况下PMMA不同方向折射率差异仅有1.3%.此项研究有助于理解PMMA和PC聚合物各向异性光学特征产生的原因和影响因素,从而进一步指导和促进其在更多领域的发展与应用.     

石墨烯纳米孔道内受限水介电常数影响因素的分子动力学模拟

受限水的介电特性对于石墨烯电容器的储能效率有着重大的影响.因此本文使用分子动力模方法,研究了不同石墨烯纳米孔道宽度(0.812～10 nm)下内受限水介电常数的分布及其影响因素.结果表明,在石墨烯纳米孔道内部受限水双电层结构可分为空隙层、界面层和体相层三个部分.其整体的介电常数随孔道大小的降低而线性减少.这是由内部体相层的宽度的降低而导致的.此外电极电压大小和石墨烯-水相互作用参数ε_CO的强弱也会显著改变电极表面的双电层(Electric Double Layers, EDLs)结构.其中电压的增大使得介电常数分布的震荡的程度也随之增加,最终导致了整体介电常数的减小.与之类似,亲水态的石墨烯表面(高ε_CO)下受限水分布的震荡程度也显著增加,这导致了整体介电常数的降低.     

Cu50Ni50合金快速凝固的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究了Cu₅₀Ni₅₀合金在不同冷却速度下的凝固过程,利用均方位移、径向分布函数和结构可视化等方法分析其微观结构.并对凝固模型进行拉伸模拟,通过应力应变曲线和直观结构变化分析其性能.研究表明：冷却速度对Cu₅₀Ni₅₀合金凝固形成的结构有较大影响,随着冷却速度的升高,凝固形成的结构中晶体含量减少,在较低的冷却速度下,如冷却1×10¹²K/s时,Cu₅₀Ni₅₀合金凝固形成晶体结构;在较高的冷却速度下,如1×10¹⁴K/s时,Cu₅₀Ni₅₀合金凝固形成非晶体结构,且非晶Cu₅₀Ni₅₀合金的抗拉性能要优于晶体Cu₅₀Ni₅₀合金.     

温度对有机物传热影响的分子动力学模拟及微观机理研究

热导率是表征物质导热性能的一个重要物性参数.通过分子模拟从微观角度揭示有机物分子液体导热机理并计算热导率具有重要的理论意义和应用价值.通过非平衡态分子动力学模拟方法,分别模拟了庚烷、己醛、2-己酮和己醇在263～363 K的热传导过程并得到了热导率.4种有机物在263～363 K下热导率的计算值与实验值的相对平均偏差分别小于5.40%,5.46%,4.29%和7.80%,表明模拟结果与实验结果基本一致.热流分解和原子热路径的结果表明,对总热流有显著贡献的库仑相互作用项、范德华相互作用项和扭转角项都随着温度的升高而减小,这使得4种有机物的热导率随着温度的升高而降低.同时研究表明温度的升高增大了分子的原子振动,加速了分子运动,降低了模拟体系的质量密度.本文为温度对液体热传导影响提供了微观解释和理论依据.     

高温下HBT晶体热分解过程的理论模拟

基于自洽电荷密度泛函紧束缚(SCC-DFTB)方法研究了富氮含能材料5, 5’-双四唑肼(C₂H₄N₁₀, HBT)晶体在高温下的热分解反应过程.结果表明,结构优化参数与实验误差在5%以内.在2000 K, 2500 K,和3000 K不同温度下,HBT晶体热分解路径和产物表现出相似性.通过过渡态理论和分子动力学两种方法,研究了分解反应C₂H₄N₁₀→C₂H₃N₇+HN₃,发现HBT晶体分解产物中存在叠氮酸(HN₃)分子,化学反应势垒高度为222.85 kJ·mol^-1.研究结果为进一步理解高温下HBT晶体热分解特征提供理论参考.     

RDX分子内振动能量重分配的动力学研究

基于从头算分子动力学(Born-oppenheimer molecular dynamics, BOMD)模拟, 构建了环硝胺六氢-1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪(RDX)单分子不同振动模式之间的耦合矩阵, 并计算了在不同加载能量下从低频振动模式到高频振动模式的最优能量传输路径. 结果表明, RDX单分子中—NNO₂基团更有利于能量局域化, 振动模式v₃和v₄在从低频振动模式到高频振动模式的能量传输过程中扮演着重要角色. 通过对v₃和v₄两个振动模式的进一步分析发现, 加载能量的不同会导致RDX单分子能量传输路径的不同. 当加载能量较低时, RDX单分子倾向于从低频振动模式到中频振动模式再到高频振动模式的能量传输路径; 当加载能量较高时, 能量更倾向于从低频振动模式直接传输到高频振动模式上. 揭示了RDX分子内振动耦合能量转移的微观机制, 为进一步探索RDX将“机械能”转化为“化学能”的微观过程提供了理论基础.     

纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟

通常认为缺陷加速黑磷的非辐射电子-空穴复合,阻碍器件性能的持续提高。实验打破了这一认识。采用含时密度泛函理论结合非绝热分子动力学,我们发现P-P伸缩振动驱动非辐射电子-空穴复合,使纳米孔修饰的单层黑磷的激发态寿命比完美体系延长了约5.5倍。这主要归因于三个因素。一,纳米孔结构不但没有在禁带中引入深能级缺陷,而且由于价带顶下移使带隙增加了0.22 eV。二,除了带隙增加,纳米孔减小了电子和空穴波函数重叠,并抑制了原子核热运动,从而使非绝热耦合降低至完美体系的约1/2。三,退相干时间比完美体系延长了1.5倍。前两个因素战胜了第三个因素,使纳米孔结构激发态寿命延长至2.74 ns,而其在完美体系中约为480 ps。我们的研究表明可以制造合理数量和形貌的缺陷,如纳米孔,降低黑磷非辐射电子-空穴复合,提高光电器件效率。这一研究对于理解和调控黑磷和其它二维材料的激发态性质有重要意义。     

气驱油油气混相过程的界面传质特性及其分子机制

油气混相过程的界面传质特性对气驱提高原油采收率技术非常重要。本文针对吉林某油田的实际油组分,采用分子动力学模拟研究了气驱油过程,分析了不同气体和驱替压力下油气两相的状态变化以及界面特性,获得不同驱替气体的最小混相压力(MMP)。结果表明,随着驱替气体压力的升高,气相的密度逐渐增大,油相膨胀密度降低,气相与油相的混合程度增强,油气两相界面厚度增加,界面张力随之减小。同时发现,驱替相中二氧化碳浓度越高,在同等气体压力下,油气界面更厚,油气混合程度更高。纯CO₂驱油得到的MMP远远小于纯N₂驱油,当这两种气体摩尔比为1 : 1混合时MMP介于两种纯气体之间,说明要达到同样的驱油效果二氧化碳需要的压力更小。最后,本文从分子微观作用力角度解释了驱替气体不同时影响油气混相程度的机制,通过分子平均作用势曲线发现油相分子对CO₂的吸引力要大于N₂分子,因此CO₂分子更容易与油相混合,驱替效果更明显。