超低密度笼形冰相及其负压相图

水不仅在地球上无处不在,而且在太阳系中(如彗星、小行星及巨行星的卫星上)也普遍存在。因此,探索存在于不同环境条件下不同形态的水冰晶体对物理学、化学、生物学、地球科学以及行星科学都有着重要意义。根据周围的环境条件(压强和温度),冰呈现出极其丰富和复杂的相图。目前,实验上已合成了18个晶体冰相,分别是ice Ic、 ice Ih、 ice Ⅱ直至ice XVⅡ。此外,还有一些来自于笼形包合物的假想超低密度冰相,分别是I型、Ⅱ型、H型、K型和T型笼形冰。近期,在实验室中合成的Ⅱ型笼形冰(即ice XVI)出现在了水的负压相图中,极大地激发了人们去探索其他低密度笼形冰。结合带有色散修正的密度泛函理论计算和经典的蒙特卡罗、分子动力学模拟,我们预测了两个具有超低密度的立方笼形冰相,将其依次命名为s-Ⅲ笼形冰(ρ=0.593 g/cm3)和s-Ⅳ笼形冰(ρ=0.506 g/cm3)。s-Ⅲ笼形冰的元胞由2个二十六面体的大笼子(8668412)和6个十面体的小笼子(8248)组成。s-Ⅳ笼形冰的元胞中含有8个二十六面体的大笼子(12464418)、8个十二面体的中等尺寸笼子(6646)和6个八面体的小笼子(6246)。对于这两种笼形冰,超大尺寸的二十六面体水笼子以及不同笼子之间的独特堆积方式使它们的密度极低。把所有低密度冰相(其密度小于或者等于ice XI)考虑在内,我们基于TIP4P/2005模型势函数构建了水在负压下的p-T(压强-温度)相图。在s-Ⅱ笼形冰下方的极低负压区域内,s-Ⅲ和s-Ⅳ笼形冰取代了之前认为的s-H笼形冰,分别占据了高温和低温部分,因此在相图中产生了一个三相点(T=115 K,p=–488.2 MPa)。密度泛函理论计算表明,通过在二十六面体大笼子中添加合适尺寸的客体分子,比如十二面烷(C20H20)和富勒烯(C60),能够分别充分地稳定s-Ⅲ和s-Ⅳ笼形冰晶格。基于实验室中已经制备出的无客体分子填充的s-Ⅱ笼形冰,且被认定为ice XVI相,那么s-Ⅲ和s-Ⅳ笼形冰很可能是ice XVⅢ或ice XIX的候选结构。它们一旦在实验室中被合成,则可以作为一种储存气体的材料用来封装气体分子(如H_2、CH_4、CO_2等)。计算表明:s-Ⅲ笼形冰在低温和室温下的储氢能力均为s-Ⅱ的两倍左右,达到了美国能源部在海陆运输上制订的储氢目标。     

利用拉曼光谱分析冰Ih相的表面薄层的氢键结构

水是生活中一种最基本且最重要的物质,由于它的一些奇特性质和反常物性,得到了广泛的研究,而拉曼光谱是研究水分子结构的一种非常合适的方法,它通过获得分子的振动和转动信息来理解分子结构和分子间的相互作用。在常压下测量了-20～-190 ℃温度范围内冰Ih相的表面薄层的拉曼光谱,实验结果发现随温度降低,冰Ih相的O∶H范德瓦尔斯键向高波数方向移动,而O-H极性共价键向低波数方向移动;且拉曼频移与温度呈线性关系,通过对不同振动模式的斜率进行比较,判断其键长的伸缩变化关系,从而证明了冰Ih相密度随温度的减小而增大,采用氢键理论(结构)给予了解释。同时,发现在-150 ℃时,O-H键反对称伸缩振动模式和O∶H键振动模式的拉曼峰强发生了突变,这表明冰Ih相发生了相变--冰Ⅺ相(冰Ih的质子有序相)。     

弯管和文丘里管组合燃烧器的颗粒分布特性

本文给出一种弯管和文丘里管组合结构的新型浓淡煤粉燃烧器,并分别对弯管、文丘里管和这种弯管和文丘里管组合结构燃烧器内的气固两相流动进行了数值模拟。采用Euler-Lagrange方法和离散相模型（DPM）研究气固两相流动,气相湍流采用分离涡（DES）模拟方法,固相湍流采用离散随机游动（DRW）模型。结果表明,这三种结构对...     

丙烯腈-尿素包合物的形成过程及特征

利用差示扫描量热法(DSC)和X射线衍射(XRD)研究了在不同丙烯腈/尿素投料比情况下的丙烯腈-尿素包合物的形成过程和组成. 实验结果表明DSC是一种研究包合物的客主比及分解热的有效方法. 测定了丙烯腈-尿素包合物的客主比和分解热分别为1.17和5361.53 J/mol. 同时发现丙烯腈-尿素包合物的形成依赖于冷冻时间,在足够长的冷冻时间之后丙烯腈-尿素包合物的组成达到稳定状态. 实验结果表明,丙烯腈分子可能是采用堆叠的方式排布在尿素晶道结构中. XRD结果表明只要丙烯腈分子进入尿素晶格中,丙烯腈-尿素包合物的结构便形成了,并且这种结构与形成过程终了时的结构是一致的. 只要丙烯腈是足量的,包合物中的丙烯腈分子排列会随冷冻时间的延长而增长,直到尿素的晶道结构被丙烯腈分子填满.     

液氮比潜热的测定

每种物质在不同压力和温度下可以是以气体、液体或固体的形态存在,或者说可以是以气相、液相或固相存在.在一定的压力和温度条件下,物质从一相转变为另一相,这种物理现象统称为相变.一般地,由气相转变为液相称为凝结,其逆过程,即液相转变为气相称为汽化;由液相转变为固相称为凝固,而由固相转变为液相称为熔解;有时固     

二维冰相I的电子和光学性质

二维冰是典型的原子制造技术获得的新型原子级材料,其结构和成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学和行星科学等众多领域具有至关重要的作用.虽然二维冰的结构性质已被广泛研究,但对其电学和光学性质知之甚少.本文通过密度泛函理论和线性响应理论计算了二维冰相I在零温时的主要电学、光学、介电性质和红外光谱.其次,利用从头算分子动力学方法模拟得到了二维冰相I在有限温度下的声子振动态密度.本文的结果揭示了原子级二维冰相I的电子结构,同时展示了其独特的光吸收机理,有助于二维冰相I的进一步实验表征和原子级操控.由于表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成,这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值.此外,二维冰本身也可以作为一种特殊的二维材料,为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的标准材料.     

冰浆在蓄冰槽内的蓄冰特性及其均匀度研究

对动态冰蓄冷中蓄冰槽蓄冰过程的动态特性进行实验研究,分析了影响蓄冰形成富冰层形状变化的参数:入口冰浆流量、固相含量、初始液面高度及入口管布置。分析实验结果,总结实验规律表明:冰浆流量与固相含量对富冰层变形影响较大,其它因素次之;增大上述两参数能够有效提高堆积富冰层的均匀性,提高蓄冰槽的有效利用率。     

考虑固相移动的大尺寸钢锭宏观偏析数值模拟

以欧拉方法和体积元平均技术为基础,建立考虑固相移动的大尺寸钢锭宏观偏析数学模型.研究了纯自然对流和包含固相移动两种情况下宏观偏析形成的模式,分析了临界固相分数和固相密度变化对宏观偏析形成的影响.计算结果表明：无论是否考虑固相移动,A型偏析形成机理是侧壁形成的固相与底部形成的固相之间形成狭窄的补缩通道,此通道内溶质富集且流动不顺畅,最后形成了高成分区域.增大临界固相分数会导致A型偏析带和底部负偏析的加剧.固相密度的增加会引起底部负偏析和顶部正偏析的偏析程度增大,但A型偏析带的长度不随固相密度的增加而增长.将模拟结果和实验结果进行对照,验证了模型的准确性. 关键词： 宏观偏析 固相移动 A型偏析形成 数值模拟     

甘氨酸在Cu(111)表面吸附的扫描隧道显微镜研究

用超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)研究了室温下甘氨酸在Cu(111)表面的吸附行为.实验发现,在低覆盖度下甘氨酸分子在表面表现为二维气体.当覆盖度足够高时,甘氨酸分子最终会形成二维固相结构,为(4×8)超结构.针对这种结构提出了两种可能的结构模型,模型能够很好地解释STM图.当覆盖度介于气相和固相之间时,根据蒸镀条件和退火条件的不同,表面可能出现两种不同的中间相,一种为条纹结构,另一种为六角结构,对于中间相有待于进一步的研究 关键词： 表面吸附 甘氨酸 铜 扫描隧道显微术     

掺杂B_nN_n(n=12,16,20,24,28)团簇的生成热

中等尺寸的硼氮富勒烯笼与碳笼富勒烯相似,具有纳米尺度的球形内包空间,应该可以形成内包原子的笼状包合物,且无论从理论研究,还是从应用研究上讲都还处于起步阶段.我们采用第一性原理方法计算了第一、二、三、四周期内各元素原子作为M原子,分别构建M@B_nN_n(n=12,16,20)包合物并计算结合能.发现当硼氮富勒烯笼直径较小时,不同元素结合能的大小规律与原子半径的规律相符.副族元素的Mn、Fe、Co和Ni较其它元素的包合物稳定性明显增加.     

超高密度的冰

英国伦敦工学院和英国 Innsbruck 大学 John Finney 教授与他的同事们制作出了一种超高密度的非晶态冰,简称为 VHDA(very high density amorphous) 冰,它的密度在标准状态下为 1.25g/cm3.众所周知,在标准状态下,普通冰的密度为0.92 g/cm3,而水的密度为 1.0g/cm3.这些数据告诉我们 ,VHDA 冰将会沉入水中,而不是漂浮在水面上.大多数物质固态的密度都要比它们处在液态时的密度要高,但只有水是例外.而正是水的这个性质对地球上的气象、化学以及生物起着非常重要的影响.为了了解为什么水会有这种反常的性质,物理学家们花费了很多时间,用了各…     

保护介质对爆轰固相产物生成的影响

 通过爆轰合成超细金刚石实验，对装药在不同环境下引爆后得到的固相碳产物进行比较分析，研究不同介质如氮气、水、冰、遇热分解的盐等对爆轰产物中固相碳形成的影响，同时提出用石墨化程度来比较这种影响。结果显示，介质对爆轰产物中固相碳的石墨化和超细金刚石的保护有着重要的作用。几种介质中水的保护效果较好。     

β-环糊精-双二茂铁基烯酮包合物的特征及微环境效应研究

采用固相研磨法首次制备了β-CD-双二茂铁基烯酮(DFE)超分子包合物。 运用等摩尔连续变化法证明两者形成了摩尔比为2∶3(DFE∶β-CD)的包合物,并且求得包合平衡常数K为1.48×1015 (L4·mol-4)。 通过多种谱学方法对包合物进行了表征。 同时,从微环境的角度比较研究了不同溶剂对DFE包合前后的UV光谱的影响以及不同pH值对DFE和包合物的影响特征。 结果表明溶液中微环境的不同对客体及超分子包合物的电子光谱有着显著而不同的影响。     

一种新的C32异构体

我们构造出一种新的类笼形C32异构体, 不包含五边形和六边形结构,具有D2h对称性.采用密度泛函理论DFT的rb3lyp方法在6-31G(d)基组水平上进行了相关计算 .计算结果表明它是一种稳定的构型.     

锗R8相结构的压力效应及电子性质

 使用第一性原理方法研究了锗R8相在压力下的电子结构。计算基于平面波基组,使用模守恒赝势和局域密度近似。对锗R8相结构参数的压力依赖性也进行了研究,包括晶格常数、伞状角、原子位置参数随压力的变化情况。计算得到的R8相的能带结构表明,锗R8相属于半金属相。对总的态密度和分波态密度进行了分析,并考虑了轨道分布情况,态密度呈现出带边的锐化。同时得到锗R8相的两种不同键的键长随压力的变化情况,并分析了这种变化的起因。     

弹跳液滴与超疏水表面的换热特性研究

了解弹跳液滴在固体表面的动力学和传热特性对于促进自清洁、防冰和热管理等领域的发展是至关重要的。本文通过数值模拟的手段研究了冷液滴撞击热超疏水表面的过程。本文中提出了一种混合相场格子玻尔兹曼模型来描述液滴动力学和液固传热过程,并通过单个液滴在固体表面的铺展过程和定量冷却效率验证了所提出模型的正确性。随后对单个液滴碰撞超疏水表面的动力学行为和换热过程进行了模拟,结果表明热流密度不仅与液固接触面积有关,还与液滴与基体之间的温差有关。此外增大液滴的韦伯数对换热过程有促进作用,而增大液滴的雷诺数反而会抑制换热。     

流化床中瞬态颗粒浓度信号的小波分析

气固流化床内一般处于非均匀的聚式流化状态,系统中颗粒和流体分离严重,呈现流体密集的稀相和颗粒聚集的密相共存的两相结构。床内的颗粒流体两相流的主要特征在于其非均匀的两相时空动态结构,该系统在大多数的情况下处于非线性、非平衡的状态,是一种典型的耗散结构［１］。本文介绍应用小波分析技术对流化床中瞬态颗粒浓度信号进行分析,以揭示这种结构的本质特性。     

Ba8Ga16Si30与Sr8Ga16Ge30电子特性和热性质的研究

采用基于密度泛函理论和平面波赝势技术的CASTEP程序计算了笼状化合物Ba8Ga16Si30与Sr8Ga16Ge30的电子结构,并以此为基础进一步研究了它们的热性质。态密度和布居分析显示,Ba8Ga16Si30中笼上原子间成键趋于共价性,Sr8Ga16Ge30中笼上原子间成键趋于离子性,可以认为Ba8Ga16Si30的稳定性比Sr8Ga16Ge30强。带结构显示Ba8Ga16Si30与Sr8Ga16Ge30均为金属。热性质研究中提出一个新的模型,模型中认为Ba8Ga16Si30的笼内Ba原子和笼上Ga原子做爱因斯坦振荡,笼上Si原子做德拜运动,这种模型能够更好地描述Ba8Ga16Si30的热导。     

固体中的相变

一、相变的分类 当温度、压力、电场、磁场等条件变动时,固体的特性或结构在一定的关节点上,产生突变。这是量变到质变的一种典型表现。人类早已在冷热改变时,观察到水结为冰、冰融为水的固一液相变。在近代科学发展之前,人们从生活实践中体验到,铁合金被炸火或退火处理后其性能显著改变;锡器在低温下自发毁坏(旧称锡病)。这些都是固体相变的效应。近代科学对相变的研究大约始于十九世纪中期,影响相变的因素主要是温度和压力,共次是外场(电场和磁场)。在温度和压力均逐渐改变时,同一化学组分的晶体在不同的温度和压力区间存在不同结构的相,…     

固氖高压物态方程的量子理论计算

 运用Hartree-Fock计算方法和原子团簇理论,研究了高压下面心立方晶体氖中的二体相互作用、三体相互作用对中心原子势能及冷能的贡献。结合零点振动能,计算得到了固氖在4~208 GPa压强范围内的等温物态方程。结果表明,在较高压强区域内,等温压缩线与高压实验数据符合得非常好;在压强超过100 GPa的区域内,计算得到的等温压缩线较目前已有的理论研究结果系统地改善并提高了3%~5%,精确地解释了固氖的高压实验数据。