电场作用下过冷水形核的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究了过冷水的结构和形核过程随电场强度变化的情况。对系统微观结构的分析显示在电场强度为0～10~(10)V/m范围内,处于200K的过冷水在5 ns时间内不足以发生形核,只有当电场强度增加到10~(11) V/m或者温度降低到100K时系统才能在5 ns内发生形核。模拟结果表明电场强度的改变对系统中水分子团簇的微观结构有明显影响,电场强度的增加能促进系统的短程有序性。     

碳纳米管表面金纳米颗粒的形成与结构转变

利用分子动力学模拟研究了室温下金纳米颗粒在碳纳米管表面的结构和作用能.研究结果表明，金纳米颗粒随着尺寸的增大会发生不同于孤立状态下的结构转变.当原子数小于130时，颗粒属于无序结构；当原子数大于140时，呈现面心立方晶体结构.小金纳米颗粒和碳纳米管结合紧密，相互作用能正比于面对碳纳米管的颗粒表面面积.     

碳纳米管表面金纳米颗粒的形成与结构转变

利用分子动力学模拟研究了室温下金纳米颗粒在碳纳米管表面的结构和作用能.研究结果表明,金纳米颗粒随着尺寸的增大会发生不同于孤立状态下的结构转变.当原子数小于130时,颗粒属于无序结构;当原子数大于140时,呈现面心立方晶体结构.小金纳米颗粒和碳纳米管结合紧密,相互作用能正比于面对碳纳米管的颗粒表面面积. 关键词： 金纳米颗粒 碳纳米管 分子动力学模拟     

结构高度对纳米液滴碰撞壁面过程的影响

液滴与壁面的碰撞过程广泛存在于自然界以及各类生产生活中,探究其传热传质作用机理以及形态演变对发展表面自清洁、喷墨打印、强化滴状冷凝、抗结冰结霜等技术都具有重要意义。为了探究结构高度在碰撞过程中的作用,本文通过分子动力学模拟对纳米液滴与壁面的碰撞过程进行了研究。构建了具有方柱状结构的粗糙表面模型,研究了壁面上纳米柱状结构的高度对碰撞过程的影响,记录了液滴的变形过程,并对相关的动力学特征以及能量变化进行了分析。     

基于graphene条带的硅纳米结构

采用分子动力学模拟方法研究了graphene条带上生长硅纳米结构的过程,分析了不同温度下硅原子在graphene条带边沿生成的新型纳米结构.研究表明,随机分布的硅原子吸附到锯齿型graphene条带边沿在不同的温度T下可生成不同类型的硅纳米结构：300K≤T<2000K时形成无规则的团簇,2000K≤T≤2800K时形成单原子链结构,2800K<T<3900K时形成含缺陷的硅链结构,T≥3900K时硅原子逐渐替代条带边沿的碳原子直至graphene条带破坏.而硅原子吸附到扶手椅型graphene条带边沿在300K≤T<3000 K内仅能形成非链状的不定型的硅纳米结构. 关键词： graphene 硅 纳米结构 分子动力学模拟     

混合润湿性柱状纳米结构对铜板上纳米氩膜沸腾传热的影响

混合润湿性对固/液相互作用有显著影响,因此对提高相变过程中的传热速率有积极作用.采用分子动力学模拟方法研究了柱状纳米结构表面混合润湿性对池沸腾传热的影响.分析了混合润湿性和纳米结构柱高对液体起始沸腾时间和温度的影响及其机理.结果表明,疏水比例和柱高会影响爆沸的起始温度和时间.与纯亲水壁相比,增加疏水比改变了固液界面性质,可以降低沸腾温度,更容易突破势能壁垒,使液体起始沸腾时间提前,并且随着疏水比的增加,不同柱高下的沸腾温度降低;当疏水比相同时,增加柱高扩大了混合润湿性的影响,也能降低沸腾起始温度并使液体起始沸腾时间提前.这为设计微纳粗糙结构和混合润湿表面以强化沸腾传热提供了思路.     

纳米通道壁面晶面结构对吸附影响的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法,模拟了流体在晶面结构为FCC100、FCC110、FCC111壁面上的吸附现象,结果表明壁面结构对粒子的吸附有较大的影响.在相同的条件下,三种晶面结构的吸附区产生的吸附作用力不相同,FCC110结构壁面的吸附粒子更贴近壁面,FCC111结构壁面吸附的粒子最多.在纳米尺度下定义壁面相对光滑度来表征...     

金属纳米薄膜在石墨基底表面的动力学演化

采用分子动力学方法研究了金属Au和Pt纳米薄膜在石墨(烯)基底表面的动力学演化过程,探讨了金属薄膜和石墨(烯)基底间的相互作用对金属纳米薄膜在固态基底表面的去湿以及脱附的动力学演化的影响.研究结果表明,在高温下,相同层数的Au和Pt纳米薄膜在单层石墨基底表面上存在不同的去湿现象,主要表现为厚度较小的Pt纳米薄膜在去湿过程中有纳米空洞形成,而同样厚度的Au薄膜在去湿过程中没有形成空洞.Au和Pt两种金属薄膜在高温下都去湿形成纳米液滴,这些液滴最终都以一定的速度脱离基底.在模拟的薄膜厚度范围内(0.2—2.3 nm),Au和Pt纳米液滴脱离基底的速度随厚度增加表现出不同的变化规律.Pt纳米液滴的脱离速度随薄膜初始厚度的增加先增加后减少,而Au脱离速度随厚度的增加先减少,达到一个临界厚度后脱离速度突然迅速增加.利用薄膜与基底间相互作用的不同导致去湿过程中的黏滞耗散不同,定性分析了这种变化规律的原因.此外,进一步研究还发现金属液滴的脱离时间与薄膜厚度和模拟温度的依赖关系,发现脱离时间随薄膜厚度的增加而增加,随模拟温度的升高而减小.这些研究结果可以为金属镀膜、浮选、表面清洁、器件表面去湿等工业生产过程提供理论指导.     

纳米变截面结构的导热性质

采用分子动力学方法模拟了固态氩的纳米变截面结构的导热性质,研究发现纳米变截面材料的热阻和热流的大小与方向都相关:当纳米结构沿热流的方向为渐缩时,纳米结构的热阻随热流的增加而增大,而当纳米结构沿热流的方向为渐扩时,纳米结构的热阻随热流的增加呈减小的趋势;当热流较大时,热流沿渐缩方向时的热阻明显大于热流沿渐扩方向时的热阻,但当热流较小时纳米变截面结构的热阻和热流方向的关系不大.最后依据热质的运动和传递理论的动能效应对该现象进行了分析解释.     

Effects of Surface Dipole Lengths on Evaporation of Tiny Water Aggregation

Using molecular dynamics simulation, we compared evaporation behavior of a tiny amount of water molecules adsorbed on solid surfaces with different dipole lengths, including surface dipole lengths of 1 fold, 2 folds, 4 folds, 6 folds and 8 folds of 0.14 nm and different charges from 0.1e to 0.9e. Surfaces with short dipole lengths (1-fold system) can always maintain hydrophobic character and the evaporation speeds are not influenced, whether the surface charges are enhanced or weakened; but when surface dipole lengths get to 8 folds, surfaces become more hydrophilic as the surface charge increases, and the evaporation speeds increase gradually and monotonically. By tuning dipole lengths from 1-fold to 8-fold systems, we confirmed non-monotonic variation of the evaporation flux (first increases, then decreases) in 4 fold system with charges (0.1e-0.7e), reported in our previous paper [S. Wang, et al., J. Phys. Chem. B 116 (2012) 13863], and also show the process from the enhancement of this unexpected non-monotonic variation to its vanishment with surface dipole lengths increasing. Herein, we demonstrated two key factors to influence the evaporation flux of a tiny amount of water molecules adsorbed on solid surfaces: the exposed surficial area of water aggregation from where the water molecules can evaporate directly and the attraction potential from the substrate hindering the evaporation. In addition, more interestingly, we showed extra steric effect of surface dipoles on further increase of evaporation flux for 2-folds, 4-folds, 6-folds and 8-folds systems with charges around larger than 0.7e. (The steric effect is first reported by parts of our authors [C. Wang, et al., Sci. Rep. 2 (2012) 358]). This study presents a complete physical picture of the influence of surface dipole lengths on the evaporation behavior of the adsorbed tiny amount of water.     

Fragile to strong crossover and Widom line in supercooled water: A comparative study

The aim of this paper is to discuss the relationship between the dynamics and thermodynamics of water in the supercooled region. Reviewed case studies comprehend bulk water simulated with the SPC/E, TIP4P and TIP4P/2005 potentials, water at protein interfaces, and water in solution with electrolytes. Upon supercooling, the fragile to strong crossover in the α-relaxation of water is found to occur when the Widom line emanating from the liquid-liquid critical point is crossed. This appears to be a general characteristic of supercooled water, not depending on the applied interaction potential and/or different local environments.     

过冷水滴碰撞结冰的实验与模拟研究

以宏观结冰/霜过程中过冷水滴的碰撞结冰现象为背景,实验对比了亲水和超疏水表面上常温水滴碰撞、常温水滴碰撞结冰和过冷水滴碰撞结冰的过程,建立了过冷水滴碰撞结冰过程的数值模型,研究了We数和接触角对碰撞结冰的影响。结果表明:相比于常温水滴的碰撞及其碰撞结冰过程,过冷水滴碰撞结冰过程的稳态铺展系数更大;随着过冷度和We数的增大以及接触角的减小,过冷水滴的碰撞结冰与常温水滴的碰撞在水滴形态和铺展系数上的差异逐渐增大。     

过冷液体钾形核初期微观动力学机理的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属钾凝固过程进行了模拟,根据凝固过程体系平均原子能量、原子成键类型和成团类型,以及均方位移和非Gauss参数等动力学参数的演化特征,对过冷熔体形核初期微观动力学机理进行了研究.结果表明:根据过冷液体钾结晶形核过程热力学、动力学和结构特性的演化规律, 其过冷温度区间可以分为两个明显不同的阶段,潜在结晶核心出现在过冷液体较低温区.过冷熔体钾在形核初期,二十面体团簇结构在α-弛豫阶段逐渐解体,同时具有体心立方(bcc)结构的潜在结晶核心逐步形成,其临界晶核包含约300个原子.     

磁场对水作用机制的计算机模拟研究

介绍了对水系统进行计算机模拟研究的方法和常用的一些位势模型，报道了磁处理水研究进展和计算机模拟研究的一些结果。     

基于复合纳米结构的局域表面等离子体光学传感器

局域表面等离子体光学传感器由于其体积小、灵敏度高、免标记等特点成为目前传感器研究热点之一。然而由于银纳米结构的生物兼容性以及氧化问题,成为该传感器发展的瓶颈。提出了利用金／银混合的金属纳米结构克服上述困难,并从有限时域差分数值计算方法入手,设计了银层50nm,金层5nm的六边形分布三角形复合传感结构,并利用纳米球自组装技术实现了该类型传感器。同时,与生物分子蛋白A的结合实验结果表明,该传感器在生物分子溶液浓度213．85nM的条件下仍然具有较高的灵敏度。     

纳米通道内超疏水性表面气泡的运动

疏水表面纳米气泡的运动有重要的应用价值和研究意义。本文采用分子动力学方法,模拟了纳米通道壁面为超疏水性时壁面上气泡的运动状况。在质量力驱动下,随着外界驱动力的增大,两壁面上的气泡被逐渐拉长,同时逐渐变得扁平;前端"接触角"逐渐增大,而后端"接触角"逐渐减小。纳米通道内疏水性表面的纳米气泡随着外部驱动力的变化呈现出不同的形态,变化程度随着驱动力的增大而增大。在不同驱动力作用下,两个气泡总是保持相同的速度,气泡的速度与外力驱动的大小呈线性增长趋势。随着外力的增大,边界层及通道中心速度皆呈现增大趋势。     

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.