氧气在聚丙烯内吸附和扩散的分子模拟

采用巨正则Monte Carlo和分子动力学模拟相结合的方法研究了氧气在不同聚合度的聚丙烯内的吸附和扩散. 模拟结果表明, 随聚丙烯聚合度的增加, 聚丙烯对氧气的吸附量逐渐增加, 而氧气在聚丙烯内的扩散系数减小; 当聚合度增大到一定程度时, 吸附量和扩散系数都趋于一稳定值. 随温度的升高, 氧气在聚丙烯内的吸附量减少, 而扩散系数增大. 本文还应用自由体积理论探讨了氧气在聚合物内扩散的机理, 发现氧气在聚丙烯内以空穴形式存在的自由体积之间扩散, 即氧气先在一个空穴内不停振动, 然后通过聚丙烯链段运动形成的通道跳跃到下一个空穴来完成扩散. 结果表明, 较高聚合度的聚合物材料在常温及低温下使用对于其在食品包装材料中的应用是有利的, 这为食品包装材料行业相关产品的应用开发提供了一定的指导和依据.     

受限于纳米碳管中的乙醇分子的结构和扩散的分子模拟研究

利用分子模拟研究了常温常压下受限于(8,8) (管径1.081 nm)和(15,15) (管径 2.035 nm)单壁纳米碳管中的乙醇分子. 对受限分子的径向密度分布和氢键等静态性质以及扩散性质进行了分析. 结果显示在管内乙醇分子的平均氢键数目和主体相一致. 乙醇分子在(8,8)碳管内具有高度有序的结构, 而在(15,15)碳管内由于空间的增大导致结构有序度的降低, 其中分子取向已呈随机分布. 进一步对扩散系数的分析发现, 在管内乙醇分子的轴向扩散系数低于主体相, 特别在(8,8)碳管内乙醇分子几乎丧失了轴向扩散能力.     

纳米受限下溶质水化结构的分子模拟

利用分子动力学模拟研究了五种不同种类的溶质分子(K+, Mg2+, Cl-, K-和K0)在直径为0.60-1.28 nm的纳米碳管内的水化结构. 模拟结果揭示了单电荷溶质、双电荷溶质和中性溶质在受限条件下具有不同的水化行为. 单价溶质的配位数只有在直径不大于0.73 nm的纳米碳管内才会明显减少. 和带有电荷的溶质不同, 中性溶质的配位数对纳米碳管直径的改变非常敏感, 并且随着管径的减小而迅速减少. 模拟结果还表明带单价正电荷的溶质(K+)第一配位层水分子的取向结构会随着纳米碳管直径的改变发生变化, 而其他溶质配位层取向结构在本文所涉及的纳米碳管内都几乎和体相中一致. 在直径大于1.0 nm的纳米碳管中, K+的配位层取向结构有序度随着管径的减小而单调下降, 但是在直径小于1.0 nm的纳米碳管中, 随着碳管管径的减小而迅速上升. 在两个最窄的纳米碳管内, 其结构有度甚至高于体相. 双电荷溶质的水化结构在本文所研究的碳管直径范围内和体相完全一致, 即使在直径只有0.6 nm的碳管内也无任何改变.     

无定形碳的逆向蒙特卡洛法建模

作为一种很有前景的建模方法，逆向蒙特卡洛法（Reverse Monte Carlo 简称RMC 法）在无定形碳结构研究中得到了广泛应用。本文阐述了RMC 法对于无定形碳材料结构识别的意义，简介了该法的基本原理，同时针对使用RMC 法建立无定形碳结构模型时遇到的两大难点：即模拟结构的真实性问题和大尺寸孔网络的建模问题，综述了该方法的改进和发展趋势。几何约束和能量约束的使用，提高了模拟结构的真实性；具有介孔的多孔碳模型的建立，将成为今后研究的热点。     

Transport Properties of Fluids in Micropores by Molecular Dynamics Simulation

The transport properties of fluid argon in micropores, i.e. diffusivity and viscosity, were studied by molecular dynamics simulations. The effects of pore width, temperature and density on diffusivity and viscosity were analyzed in micropores with pore widths from 0.8 to 4.0 nm. The results show that the diffusivity in micropores is much lower than the bulk diffusivity, and it decreases as the pore width decreases; but the viscosity in micropores is significantly larger than the bulk one, and it increases sharply in narrow micropores. The diffusivity in channel parallel direction is obviously larger than that in channel perpendicular direction. The temperature and density are important factors that obviously affect diffusivity and viscosity in micropores.     

基于分子间相互作用的纳米尺度分子传递

纳米尺度下的分子传递是以纳米先进材料为导向的材料化学工程学科所面临的关键科学问题之一.借鉴分子热力学的建模研究思路研究分子传递,从分子之间相互作用出发,结合分子模拟技术,有望最终建立理论模型,实现分子传递的定量预测.本文通过几个研究实例初步探索了如何从分子间相互作用出发开展纳米尺度下分子传递的研究,利用分子模拟手段解析纳米尺度下特殊的微结构,并以此为基础进而实现对分子传递行为的调控和预测,指导具有丰富纳米结构的膜材料以及催化材料的设计和应用.     

微孔中简单流体扩散行为的分子动力学模拟研究

用分子动力学模拟方法研究了受限在微孔中的简单流体氩的扩散行为,考察了微孔类型、孔径、温度和密度对微孔中流体扩散系数的影响.研究发现,微孔中流体的扩散系数均小于体相流体,并且随孔径的减小而减小,同时沿孔道或狭缝方向的扩散系数分量远大于沿孔径方向的分量,并且流体在通道型微孔中的扩散系数小于在狭缝型微孔中的扩散系数,温度和密度也是影响微孔中扩散的重要因素.     

疏水性微孔中水的结构和扩散性质的分子模拟

用分子动力学（MD）方法模拟了受限在疏水性微孔中的水的结构与动力学行为.分别考察了孔径、温度和压力对水在孔道方向的密度分布和自扩散系数的影响,计算了不同温度下水的径向分布函数.发现在小孔径的微孔中,随着温度的降低,水分子沿孔道的分布逐渐变得不均匀,最终导致气-液相分离,微孔孔道内有明显的分段现象.受限在小孔径微孔中水的自扩散系数大约为体相流体水的20％～30％,并且随着孔径的减小,自扩散系数也减小.同时还发现沿孔道方向的自扩散系数分量大约为孔径方向的4～5倍.提出了微孔中水自扩散系数的关联模型.     

烷烃在丝光沸石型分子筛中吸附和扩散行为

采用巨正则系综蒙特卡罗(grand canonical Monte Carlo, GCMC)与分子动力学(molecular dynamics, MD)相结合的方法, 研究烷烃分子在丝光沸石(MOR)型分子筛中的吸附和扩散性质. 采用GCMC 方法研究温度为300 K、330 K时, MOR型分子筛中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的吸附. 研究表明, 随着压力的增加吸附量增加, 随温度的升高吸附量有所降低. 饱和吸附量从大到小依次为: 甲烷>乙烷>丙烷>丁烷. 由模拟所得到的单组分吸附等温线, 通过理想吸附溶液理论(IAST)计算二元混合物的吸附平衡相图, 模拟结果与计算结果一致. 采用分子动力学方法, 研究乙烷、丙烷在MOR分子筛上的扩散性质, 结果表明各个方向上的扩散系数不同, z方向上的扩散系数最大.     

短链烷烃二元混合物在分子筛上吸附分离的分子模拟

用巨正则是系综Monte Carlo(GCMC)与构型偏倚(CBMC)相结合的方法模拟了 MFI分子筛对甲烷-丙烷、乙烷-丙烷体系(300K，345kPa)的吸附平衡，模拟结果与 文献实验结果相吻合，分别模拟了FER，ISV，MEL，MFI，MOR，TON等六种分子筛对 甲烷－丙烷、乙烷－丙烷体系（300K，345kPa）的吸附，得出甲烷－丙烷体系中分 子筛对较长链烷烃的选择性大小顺序（气相乙烷摩尔分数为0.5时）为ISV＞MEI＞ MEL＞FER＞TON＞MOR,对乙烷－丙烷体系选择性大小顺序（气相乙烷摩尔分数为0. 5时）为ISV＞MOR＞MFI＞FER＞MEL＞TON. MOR型分子筛对两个不同体系的吸附行为 表现出明显的不同，两个体中ISV的吸附量均最大，MFI，MEL，FER次之，此三种分 子筛具有相拟的吸附量，MOR和TON型分子筛吸附量较低。