碳纳米管和碳化硅纳米管热导率的分子动力学研究

采用Tersoff势测试和研究了反向非平衡分子动力学中的Müller-Plathe法和Jund法在一维纳米管热传导中的应用.在相同的模拟步数中,Müller-Plathe法可以得到很好的结果,热导率在交换频率大于50时对参数的选择并不敏感.然而,Jund法并不能得到良好的线性温度梯度,其热导率在一定程度上依赖于选择的热流大小.在此基础上,运用Müller-Plathe法进一步研究了碳纳米管和碳化硅纳米管的长度、直径和温度对热导率的影响.结果表明,无论是碳纳米管还是碳化硅纳米管,其长度、直径和温度对热导率的影响是一致的.只要长度增加,纳米管的热导率相应增大,但增长速率不断降低.直径对热导率的影响很大程度上还取决于温度,在高温时,直径对热导率几乎没有影响.除此之外,纳米管的热导率随着温度的增加总体上也是不断降低的,但峰值现象的出现还受纳米管长度的影响.     

碳纳米管热导率的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了室温下(5,5)碳纳米管的热导率.当管长从6 nm增加到4 μm时,其热导率从30 W/(m.K)增加为1000 W/(m.K).当碳纳米管长度小于40 nm时,热导率与长度呈线性关系,此时导热处于弹道输运阶段.随着管长的增加,热导率和长度成幂指数关系,但幂指数逐渐减小并趋向于O,表明声子从以弹道输运为主向以扩散输运为主的机制转变.     

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     

碳纳米管振荡的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法,模拟了三种碳纳米管振荡器内管的振荡运动.结果显示：振荡器的内管越短,振荡的频率越大,且受到的轴向回复力的波动也越大.内管在沿着管轴振荡的同时,还绕着管轴旋转,转动的动能有明显涨落并与内管管长密切相关.该研究对于开发碳纳米管的相关应用技术有指导意义. 关键词： 分子动力学模拟 多壁碳纳米管 振荡     

碳纳米管熔接金电极的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法,研究了单壁碳纳米管与Au电极的高温熔接. 模拟结果表明,用端口吸附了Au团簇的碳纳米管在高温下能很好地与Au电极熔接. 首先将Au团簇放置于碳纳米管开口处进行高温退火,退火温度在1100 K左右,Au团簇部分Au原子进入碳纳米管管内,吸入碳纳米管中的Au原子形成壳层螺旋结构的Au纳米线,管外Au团簇呈无定形结构. 然后将吸附了Au团簇的碳纳米管与Au电极进行熔接,高温退火后,碳纳米管与Au电极表面之间形成了稳固的熔接,熔接最佳温度在800 K左右. 关键词： 碳纳米管 金电极 分子动力学模拟     

多壁碳纳米管外壁高温蒸发的分子动力学模拟

采用经典分子动力学（MD）方法,使用EDIP（environment-dependent interatomic potential)势描述C纳米管内C原子之间相互作用,对多壁C纳米管由于Stone-Wales缺陷引起外层管高温剥落蒸发现象进行了计算模拟.研究结果表明,高温下多壁C纳米管外层管Stone-Wales缺陷处C原子剧烈振动导致C—C键断裂形成悬键,并逐渐向四周扩散导致外层管剥落蒸发.利用Lindemann指数作为判据,得出多壁C纳米管外层管出现剥落蒸发的温度为2290 K左右,与Huang Jianyu等实验中观测到多壁C纳米管外层管剥落蒸发现象产生的温度2000 ℃基本一致.     

多壁碳纳米管外壁高温蒸发的分子动力学模拟

采用经典分子动力学（MD）方法,使用EDIP（environment-dependent interatomic potential)势描述C纳米管内C原子之间相互作用,对多壁C纳米管由于Stone-Wales缺陷引起外层管高温剥落蒸发现象进行了计算模拟.研究结果表明,高温下多壁C纳米管外层管Stone-Wales缺陷处C原子剧烈振动导致C—C键断裂形成悬键,并逐渐向四周扩散导致外层管剥落蒸发.利用Lindemann指数作为判据,得出多壁C纳米管外层管出现剥落蒸发的温度为2290 K左右,与Huang Jianyu等实验中观测到多壁C纳米管外层管剥落蒸发现象产生的温度2000 ℃基本一致. 关键词： 多壁C纳米管 分子动力学 Stone-Wales缺陷 剥落蒸发     

碳纳米管热传导的分子动力学模拟研究

采用改进的经验键序作用势描述碳原子间的相互作用,应用分子动力学方法和Green-Kubo函数计算了碳纳米管的热导率.在模拟中,使用了重叠计算的方法来计算热流相关函数,大大减少了模拟步数.计算结果表明,碳纳米管的热导率以原子间作用力相互做功所引起的热流形式为主;热导率的值随着直径的增加而减小;在室温下,热导率的值随着温度的增加而增加,达到室温后逐渐收敛于定值.计算的单壁碳纳米管热导率在1000W/mK至4000W/mK之间,计算结果与实验结果基本符合. 关键词： 分子动力学 碳纳米管 热导率     

单壁碳纳米管轴向压缩变形的研究

采用Tersoff-Brenner势函数描述碳纳米管中碳原子间的相互作用，通过分子动力学方法对不同螺旋型的单壁碳纳米管的轴向压缩变形行为进行了研究.研究发现单臂碳纳米管的杨氏模量低于锯齿形碳纳米管，根据微观结构特征的差异对这一结果进行了分析.同时从能量和结构变化两方面对碳纳米管受压失稳进行了分析，揭示出碳纳米管失稳的微观特征. 关键词： 纳米管 分子动力学 杨氏模量 屈曲     

硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了硅纳米颗粒在碳纳米管上的生长，并分析了这种复合材料的基本结构.研究表明，由于硅原子和碳纳米管之间的相互作用以及碳纳米管的巨大的表面曲率，硅原子在碳纳米管表面不是形成覆盖碳纳米管的二维薄膜，而是生成具有三维结构的硅纳米颗粒.小纳米颗粒的结构和无基底条件下生成的颗粒结构基本一致.对于大纳米颗粒，不同于无基底条件下形成的球状纳米晶体硅结构，硅纳米颗粒沿管轴方向伸长，其结构为类似于硅晶体的无定形网络结构. 关键词： 纳米颗粒 碳纳米管 硅 分子动力学模拟     

Molecular Dynamics Study of Effects of Si-Doping Upon Structure and Mechanical Properties of Carbon Nanotube

In this paper, a Si-doped single-walled carbon nanotube (SWCNT) (7,7) and several perfect armchair SWCNTs are investigated using the classical molecular dynamics simulations method. The inter-atomic short-range interaction is represented by empirical Tersoff bond order potential. The computational results show that the axial Young's modulus of the perfect SWCNTs are in the range of 1.099 ± 0.005 TPa, which is in good agreement with the existing experimental results. From our simulation, the Si-doping decreases the Young's modulus of SWCNT, and with the increased strain levels, the effect of Si-doped layer in enhancing the local stress level increases. The Young's modulus of armchair SWCNTs are weakly affected by tube radius.     

Assessment of Timoshenko Beam Models for Vibrational Behavior of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Molecular Dynamics

In this paper, we study the flexural vibration behavior of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) for the assessment of Timoshenko beam models. Extensive molecular dynamics (MD) simulations based on second-generation reactive empirical bond-order (REBO) potential and Timoshenko beam modeling are performed to determine the vibration frequencies for SWCNTs with various length-to-diameter ratios, boundary conditions, chiral angles and initial strain. The effectiveness of the local and nonlocal Timoshenko beam models in the vibration analysis is assessed using the vibration frequencies of MD simulations as the benchmark. It is shown herein that the Timoshenko beam models with properly chosen parameters are applicable for the vibration analysis of SWCNTs. The simulation results show that the fundamental frequencies are independent of the chiral angles, but the chirality has an appreciable effect on higher vibration frequencies. The SWCNTs is very sensitive to the initial strain even if the strain is extremely small.     

甘氨酸在纳米碳管中的吸附及性质的分子模拟

采用分子力学、分子动力学方法模拟研究了甘氨酸分子在单壁纳米碳管中的吸附和扩散行为 ,并对甘氨酸分子在纳米碳管中的构象和能量进行了优化 .模拟计算结果表明 ,甘氨酸在纳米碳管中的构象发生了伸缩和扭转 ,这种构象的改变将会导致氨基酸生物性能的改变 ;纳米碳管对氨基酸分子具有较强的吸附作用 ,其中纳米碳管和甘氨酸分子之间的π -π相互作用增加了纳米碳管对氨基酸的吸附能 .模拟过程中氨基酸分子和纳米碳管之间的运动会保持很强的协同效应 ,使模拟体系构型在能量上处于最稳定的状态     

不同碳源气制备纳米碳管的研究

本研究采用CH4和C3H6两种碳源气,通过有机气体催化裂解法,在合适的工艺条件下,分别制备出纳米碳管。并用XRD、TEM、BET吸附等方法对制得的纳米碳管进行了表征。实验结果表明:采用两种碳源气制备的纳米碳管,其形貌有所不同。     

乙醇水混合物在碳纳米管中的吸附与结构性质

用分子动力学模拟研究乙醇水混合物在碳纳米管中的结构与吸附．在(6,6)到(10,10)碳纳米管内,几乎总是充满乙醇分子,很少有水分子．在更粗的碳纳米管中有一些水分子,管内的乙醇质量分数远远高于体相值．对管内外的分子进行了径向、轴向、角向的密度和取向的分布以及氢键数目的分析．管外第一溶剂化层中分子的角向密度分布指出乙醇分子的甲基和碳壁有最强的作用,被钉扎在碳纳米管的六角形中心位置．基于对这些现象微观机制的理解,推测碳纳米管在甲醇和乙醇中更倾向吸附乙醇,通过对乙醇甲醇混合物与碳纳米管的分子动力学模拟验证了这个预测．     

丙烯酰胺聚合物与氧化铝晶体相互作用的分子动力学模拟

将丙烯酰胺单体分别与丙烯酸(AA)、阳离子单体丙烯酰氧乙基二甲基乙基溴化铵(DMB)、疏水性单体丙烯酸十八酯(OA)共聚,分别得到阴离子聚丙烯酰胺P(AA-co-AM)、阳离子聚丙烯酰胺P(DMB-co-AM)、非离子聚丙烯酰胺P(AM)和疏水性聚丙烯酰 胺P(OA-co-AM)等四种丙烯酰胺高分子絮凝剂. 用分子动力学方法,模拟计算了四种聚丙烯酰胺絮凝剂与氧化铝晶体(012)晶面的相互作用,以获得相应的形变能,结合能及理论排序,为阐释四种高分子絮凝剂的絮凝作用机理提供理论依据. 研究结果表明：四种聚合物分子相对Al₂O₃(012)面的初始位置均已贴近Al₂O₃(012)面,且絮凝剂分子中的O原子与Al₂O₃(012)面的Al原子之间存在强烈的相互作用;与Al₂O₃(012)晶面结合的高分子絮凝剂发生扭曲变形,但形变能远小于相应的非键作用能. Al₂O₃(012)晶面结合能的大小排序为P(DMB-co-AM)>P(OA-co-AM)>P(AA-co-AM)>P(AM), 显示四种絮凝剂中P(DMB-co-AM)的絮凝性能最佳,PAM絮凝效果最差.     

In-Silico Study on the Interaction of Saffron Ligands and Beta-Lactoglobulin by Molecular Dynamics and Molecular Docking Approach

Safranal, crocetin, and dimethylcrocetin are secondary metabolites found in saffron and have a wide range of biological activities. An investigation of their interaction with a transport protein, such as β-lactoglobulin (β-lg), at the atomic level could be a valuable factor in controlling their transport to biological sites. The interaction of these ligands and β-lg as a transport protein was investigated using molecular docking and molecular dynamics (MD) simulation methods. The molecular docking results showed that safranal and crocetin bind on the surface of β-lg. However, dimethylcrocetin binds in the internal cavity of β-lg. The β-lg affinity for binding saffron ligands decreases in the following order: crocetin > dimethylcrocetin > safranal. The analysis of MD simulation trajectories showed that the β-lg and β-lg–ligand complexes became stable at approximately 3000 ps and that there was little conformational change in the β-lg–safranal and β-lg–dimethylcrocetin complexes over a 10-ns timescale. In addition, the profiles of atomic fluctuations showed the rigidity of the ligand binding site during the simulation time.     

碳纳米管的结构、对称性及晶格动力学

本文介绍了单层碳纳米管的结构,对称性和晶格动力学,描述了单层碳纳米管结构的表征方式,碳纳米管的晶格振动模的对称性分类和声子色散曲线。     

单壁氮化硼纳米管压缩特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,分别模拟完好的和含有缺陷的(7,7)扶手椅型氮化硼纳米管的轴向压缩过程.原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述.为验证结果的可靠性,同时针对(7,7)扶手椅型碳纳米管进行对比计算.结果表明,氮化硼纳米管的压缩失效模式同碳纳米管相同,均表现为管壁的局部屈曲.发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关.然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响.另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能.与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感.     

Molecular Dynamics Simulations of Warm Dense Carbon

We present classical and DFT‐based molecular dynamics (MD) simulations of carbon in the warm dense matter regime (? = 3.7 g/cc, 0.86 eV < T < 8.62 eV [T < 100 eV for classical MD]). Two different classical interatomic potentials are used: 1. LCBOP, designed to simulate condensed (e.g. solid) phases of C, and 2. linearly screened Coulomb (Yukawa) potentials. It is shown that LCBOP over‐predicts minima and maxima in the pair correlation functions of liquid‐C in this regime when compared to the DFT‐MD results. The screened Coulomb model, while under‐correlating at low‐T, seems to produce the correct qualitative features in the static ionic pair distributions at the highest‐T. However, both approaches predict the decay in the ionic contribution of the specific heat as T → ∞ to be much slower than that predicted by a model based on DFT‐MD. These differences in the MD‐derived equations of state in warm dense regimes could have important consequences when using classical inter‐ionic forces such as these in large‐scale MD simulations aimed at studying, for instance, processes of relevance to inertial confinement fusion when C is used as an ablator material. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)