氦热力学性质的分子动力学研究

 利用经典分子动力学和第一性原理分子动力学,研究了氦在高压下的熔化曲线、状态方程和非金属-金属转变。得到了氦在温度小于4.5 eV、 密度0.3~5.0 g/cm³范围内的状态方程,并把氦的熔化曲线的压强范围拓展到了50 GPa。氦的能隙宽度曲线表明,温度大大降低了氦的金属化密度。     

氦热力学性质的分子动力学研究

利用经典分子动力学和第一性原理分子动力学,研究了氦在高压下的熔化曲线、状态方程和非金属-金属转变。得到了氦在温度小于4.5 eV、 密度0.3~5.0 g/cm3范围内的状态方程,并把氦的熔化曲线的压强范围拓展到了50 GPa。氦的能隙宽度曲线表明,温度大大降低了氦的金属化密度。     

气体-表面相互作用中动量和能量分量间转化机制的分子动力学研究

气体分子与壁面之间的相互作用是影响稀薄气体流动状态的主要因素,但是由于其物理上的复杂性和微观性,这一过程的机理并没有得到充分揭示.本文利用分子束法对Ar分子在金属Pt表面的碰撞过程进行了分子动力学模拟,并探究了入射速度、角度和壁面粗糙度对动量、能量转化机制的影响.结果表明,当气体分子以5°的极角入射时,分子的法向速度分...     

高温下钙蒙脱石膨胀特性的分子动力学模拟

高温下蒙脱石的膨胀特性在核废料深部封存、二氧化碳封存及页岩气开发等应用中有着重要影响,但相关机理尚不明确.本工作使用分子动力学模拟为技术手段计算5 MPa和298—500 K等条件下,1.40—4.00 nm晶面间距(d)的一系列饱和钙蒙脱石的膨胀压力.以模拟所得的数值结果为依据,基于水化效应、双电层效应和离子关联效应等模型推演膨胀压力随温度与d的变化规律,并与相应的实验数据进行对比.模拟结果表明,当d较小时,因为高温会弱化水化力的强度,钙蒙脱石膨胀压力震荡的幅度降低,同时水化力作用的d的范围减小.当d较大时,因为高温强化离子关联效应,膨胀压力降低,同时双电层力的作用的d的范围增加.在较高温度和较大d时,膨胀压力为收缩力,阻碍膨胀.这些膨胀压力的变化规律与前期钠蒙脱石体系的研究类似.然而,通过对比两种蒙脱石体系的模拟结果,发现两种体系存在显著的差异—钙蒙脱石比钠蒙脱石更难膨胀到较大的d.此模拟结果与前人实验观测的结果相符.我们进一步将此差异归于钙蒙脱石的离子关联效应要远大于钠蒙脱石.有别于分子模拟中对于离子关联效应的精确描述,连续化的Poisson-Boltzmann方程因为忽略了离子关联效应,从而无法表达出与两种体系模拟结果都相吻合的膨胀压力变化规律.     

高温下钙蒙脱石膨胀特性的分子动力学模拟

高温下蒙脱石的膨胀特性在核废料深部封存、二氧化碳封存及页岩气开发等应用中有着重要影响,但相关机理尚不明确.本工作使用分子动力学模拟为技术手段计算5 MPa和298—500 K等条件下,1.40—4.00 nm晶面间距(d)的一系列饱和钙蒙脱石的膨胀压力.以模拟所得的数值结果为依据,基于水化效应、双电层效应和离子关联效应等模型推演膨胀压力随温度与d的变化规律,并与相应的实验数据进行对比.模拟结果表明,当d较小时,因为高温会弱化水化力的强度,钙蒙脱石膨胀压力震荡的幅度降低,同时水化力作用的d的范围减小.当d较大时,因为高温强化离子关联效应,膨胀压力降低,同时双电层力的作用的d的范围增加.在较高温度和较大d时,膨胀压力为收缩力,阻碍膨胀.这些膨胀压力的变化规律与前期钠蒙脱石体系的研究类似.然而,通过对比两种蒙脱石体系的模拟结果,发现两种体系存在显著的差异—钙蒙脱石比钠蒙脱石更难膨胀到较大的d.此模拟结果与前人实验观测的结果相符.我们进一步将此差异归于钙蒙脱石的离子关联效应要远大于钠蒙脱石.有别于分子模拟中对于离子关联效应的精确描述,连续化的Poisson-Boltzmann方程因为忽略了离子关联效应,从而无法表达出与两种体系模拟结果都相吻合的膨胀压力变化规律.     

流体静态和动态平衡性质的分子动力学模拟

基于LJ势能模型和soft-sphere势能模型对不同状态下氩流体的径向分布函数、速度相关函数、横向粒子流相 关函数和中间散射函数进行模拟,重点讨论了LJ势能分子间吸引力和软心势能“软度”对流体静态和动态平衡性质的影 响,结果发现软心势能的影响比分子间吸引力的影响更显著,而且动态平衡性质中出现的振荡现象也是由软心势能所致。     

不同温度下二氧化硅纳米管的结构和振动性质的分子动力学模拟

采用三种势能模型, 利用分子动力学模拟研究了在300～1600 K内4、6和8元环的二氧化硅纳米管. 结果表明,三种纳米管的末端环的稳定性随温度的升高而降低. 通过振动态密度考察了二氧化硅纳米管的有效振动特性. 以及不同温度下二氧化硅纳米管的红外光谱.     

超高压水的分子动力学模拟

 采用平衡分子动力学（EMD）方法,模拟研究了温度范围为243~348 K、压强范围为0.1~400 MPa条件下水的热力学性质、结构和动力学性质,模拟结果与实验值吻合较好。模拟结果表明,随着压强的增大,水分子间的氢键作用增强,扩散系数减小;随着温度的升高,水分子间的氢键作用减弱,有序程度下降,扩散系数增大。但在过冷水中,扩散系数随压强的增大有增加的趋势。     

简单流体迁移性质分子动力学模拟研究

通过平衡分子动力学方法和Lennard-Jones势能模型,本文对简单流体氖、氩、氪和氙的迁移性质进行了模拟研究,得到了其随温度变化的关系图.并将模拟结果与NIST推荐的数据进行了比较,除氖以及氙高温度区外,得到的黏度和导热系数的相对偏差皆在±15%之内.同时分析了几种影响简单流体迁移性质分子动力学模拟结果的主要因素.     

采用密度泛函理论与分子动力学对聚甲基丙烯酸甲酯双折射性的理论计算

双折射性是各种光学材料的重要性能之一,具有高双折射率的光学材料在诸多研究及工业领域的应用越来越广泛.然而,作为常用的光学薄膜及光波导材料之一的聚合物材料的双折射性通常却很弱,只能通过实验对其双折射率进行大致的表征,缺乏对其双折射率的系统性理论计算,从而限制了提高聚合物双折射性的研究.本文建立了从聚合物的单体分子结构到多分子链的系统性的双折射率理论计算方法,并借助此方法研究了导致聚合物弱双折射性的限制因素.以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为研究对象,运用密度泛函理论研究了其本征双折射率,这里的本征双折射率是指分子链完全取向时其单体单元的双折射率.计算结果表明其本征双折射率高达0.0738左右,并且通过计算给出了PMMA单体单元的平均双折射率色散曲线.采用分子动力学方法研究了该聚合物(包含20个分子链)的材料双折射率.理论计算结果表明,尽管该聚合物具有较大的本征双折射率,但是由于聚合物中分子链取向度极低,聚合物材料最终表现出来的双折射率只有0.00052.本文建立的研究方法及研究结果为研究增强聚合物材料双折射性提供了理论依据.     

水在不均匀纳米通道内自扩散性质的分子动力学研究

本文用分子动力学(MD)方法模拟了受限水在不均匀润湿性微通道中的自扩散性质.通过考察不均匀润湿通道内水的自扩散行为,发现在微通道中水的扩散性质表现出明显的尺度效应,随着通道高度的增加水的扩散增强.更重要的是,由于通道高度的不同,通道内的不均匀润湿段对水的扩散与均匀通道相比有不同的影响.当通道高度为0.8 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散增强;当通道高度为1.0 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散减弱;而当通道高度达到1.2 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散基本相同.     

高能量短脉冲激光作用水分子的动力学模拟

基于高能量短脉冲激光作用水分子实验的复杂性,需用采取一种比较准确且较为方便的方法来预测实验结果是必要的.本文采用分子动力学方法(Molecular Dynamics)对高能量密度短脉冲激光加载下的超临界水分子进行热力学分析及结构研究.结果表明,随着能量快速加入加载区域,水分子系统的温度迅速提高.同时,由于分子迅速向四周扩散,在加载区域产生空泡.其中,只有25.5%的能量用以提高水分子系统的动能(温度),其余的能量都用于增大水分子系统的势能(水分子间距).伴随着温度的提高,水分子热运动加快,有序程度逐渐减弱,O—H间距增加,水分子间的氢键作用减弱,分子极性降低.分子动力学模拟方法研究短脉冲高能量激光对水分子的作用,对水下激光微加工研究有一定指导意义.     

金纳米管力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管<110>向的屈服强度最大; 在三个晶向<100>, <110>, <111>的金纳米管中, <100>晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0 nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低. 关键词： 分子动力学模拟 金纳米管 力学性能     

碳硅二炔结构及性质分子动力学模拟研究

采用基于量子力学的半经验哈密顿量的计算方法,即SCED-LCAO方法,模拟研究了碳硅二炔的稳定性结构、成键特点、电子结构等性质. 得出其最稳定的结构是单层平面结构,晶格常数为12.251 Å. 它通过 含有两个Si-C三键的链连接六元环构成. 这种平面结构在很大高温范围内都可以保持其稳定特性,直到1520 K时,该基本结构才被破坏,且结构中出现四元环. 体系温度低于1520 K时,均可通过降温,恢复其零温时的结构. 研究还发现这种共轭结构中Si,C 原子间存在稳定的sp杂化形式,对分布函数得出其键长为1.58 Å左右. 高温时sp杂化逐渐转变成其他杂化形式. 计算结果表明,在零温下,该电中性系统中存在离域π键,使得系统中的Si-C键长呈现平均化趋势. 研究表明,碳硅二炔的能隙为1.416 eV,LUMO,HOMO能级分别是0.386 eV和–1.03 eV表明了其n型半导体特性. 关键词： 碳硅二炔 分子动力学模拟 sp杂化 稳定性     

Molecular dynamics simulations of compressed hydrogen

Abstract

Molecular dynamics simulations have been performed for highly compressed fluid hydrogen in the density and temperature regime of recent shock-compression experiments. Both density functional and tight-binding electronic structure techniques have been used to describe interatomic forces. Two tight-binding models of hydrogen have been developed with a single s-type orbital on each atom that reproduce properties of the dimer, of various crystalline structures, and of the fluid. The simulations indicate that the rapid rise in the electrical conductivity observed in the gas-gun experiments depends critically on the dissociated atoms (monomers). We find that the internal structure of warm, dense hydrogen has a pronounced time-dependent nature with the continual dissociation of molecules (dimers) and association of atoms (monomers). Finally, Hugoniots derived from the equations-of-state of these models do not exhibit the large compressions predicted by the recent laser experiments.     

正则系综条件下空化空泡形成的分子动力学模拟

液体中空化现象的研究对减少空蚀破坏, 提高空化空泡的有效利用具有重要意义.本文采用分子动力学模拟的方法, 对正则系综条件下系统中空化的发生特性进行研究, 分析空化发生的机理, 讨论温度、数密度等因素对空化发生的影响, 并与格子Boltzmann方法进行了比较.模拟结果表明: 温度和数密度的变化, 都对系统中的空化产生显著影响.其中, 温度升高, 使系统中空化空泡的形成由稳定变得不稳定, 最终难以形成.数密度降低, 则会促进空化空泡的形成.随着数密度的减小, 温度对空化空泡形成的影响程度下降.     

Molecular dynamics simulation of thermodynamic properties of YAG

In this paper we study the thermodynamic properties of Y分子动力学;热力学;扩散;热学YAG, diffusion, elastic constant, molecular dynamicsProject supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No~10744002).2/2/2007 12:00:00 AMIn this paper we study the thermodynamic properties of Y3Al5O12 （YAG） by using molecular dynamic method combined with two- and three-body potentials. The dependences of melting process, elastic constant and diffusion coefficient on temperature of crystal YAG are simulated and compared with the experimental results. Our results show that anion O has the biggest self-diffusivity and cation Y has the smallest self-diffusivity in a crystal YAG. The calculated diffusion activation energies of ions O, Al and Y are 282.55, 439.46, 469.71kJ/mol, respectively. Comparing with experimental creep activation energy of YAG confirms that cation Y can restrict the diffusional creep rate of crystal YAG.     

分子动力学模拟压水反应堆中联氨对水的影响

本文采用分子动力学方法模拟在常温常压下(1 atm,298 K)和在压水堆环境下(155 atm,626 K),水分子数为256,联氨(N₂H₄)分子数为0,25,50,75等不同数目时,水和联氨粒子系统的动力性质和微观结构.同时探讨了联氨分子的引入对水中溶解氧的影响.从模拟结果可知,在常温常压下,当联氨的分子数为0,25,50,75时,粒子系统的均方位移会随联氨分子数的增加而增加;联氨分子数为0与为25,50,75比较时会少一个数量级;压水堆环境下,联氨分子数 关键词： 分子动力学 压水堆 联氨