单分子层受限冰-水共存界线毛细波与固-液相变动力学

冰-水界面动力学性质在冰形核、生长、表界面熔化中扮演核心角色, 长期以来一直被广泛关注. 然而, 受限水体系中冰-水界面的动力学性质却鲜有报道. 本工作利用平衡态分子动力学模拟方法和受限固-液两相平衡模拟技术, 对两种水模型(恒定偶极矩、可极化)描述的单分子层受限冰-水两相平衡体系中的一维固-液界线开展研究. 通过对一维受限冰-水界线的追踪, 计算了其热涨落波动的振幅与时间自关联函数色散谱, 进而计算一系列固-液界线动力学性质. 冰-水界线波动在短波长区域复合了快、慢两种不同时间尺度的弛豫过程, 在长波长区域则由慢弛豫过程主导. 相比块体冰-水界面体系, 以Rayleigh波为主的高频微观物理过程更多地参与了一维冰-水界线的动力学弛豫. 我们发现冰-水界线波动弛豫特征衰减时间的波矢依赖关系符合现有固-液界面动力学理论, 但一维界线弛豫的特征衰减时间比二维界面体系低了一个数量级左右. 计算了两种水模型体系冰-水界线的动力学系数, 并与块体冰-水界面比较, 发现受限冰-水(固-液)界线动力学系数远高于块体冰-水界面体系. 我们推测水分子转动自由度在受限腔中被强烈压制可能是导致受限体系超快冰-水(固-液)相变速率的主要原因. 本工作将在受限水体系超快相变(储能、传感)器件的设计工作中提供一定的理论指导意义.     

应用极化水分子模型研究单分子层受限水的介电性质

受限条件下水的介电性质因测量极具挑战,其在诸多电化学过程与反应输运过程中如何扮演关键角色从未被定量地澄清.本工作利用平衡态分子动力学模拟和受限体系介电性质计算方法,系统性地探索了0.65 nm限域尺寸、5×10⁸ Pa限域压强、不同温度条件下单分子受限冰和受限水的介电性质.详细比较了恒定偶极矩SPC/E水分子模型和可极化的SWM4-NDP水分子模型在描述受限冰、水结构与介电性质上的优劣势,包括统计分析SWM4-NDP模型模拟的单分子层受限水和受限冰的瞬时分子偶极矩概率密度分布,计算每个模拟体系的静态结构因子、静态偶极空间关联函数、静态介电常数、体系偶极时间关联函数和德拜弛豫时间.首次发现了极化水分子模型描述的低维度受限水和受限冰的奇异分子极性变化,并观察到两种模型描述静态结构性质的效果相当,SWM4-NDP模型对于静态介电常数描述的优势会因受限条件的增强而被大幅削减.但在受限水介电极化弛豫动力学性质描述上SWM4-NDP模型明显优于SPC/E模型.我们推断SWM4-NDP模型在探索受限水结构相变动力学以及受限体系离子输运和溶剂化动力学等过程的模拟研究中是比SPC/E模型更好的选择.本工作将在进一步开展基于受限水系统储能、传感、输运的设计工作中提供一定的理论指导意义.