分子动力学模拟纳米尺寸限制体系下氩溶液中I2的振动能量弛豫

利用平衡态分子动力学方法(EMD)模拟了纳米尺寸限制球壳内I2在Ar溶液中的振动能量转移.计算并讨论了I2振动能量弛豫时间T1随球壳半径、溶剂密度的变化规律.通过分子间相互作用分析,在原子、分子水平上,揭示了随着球壳半径的减小,T1呈逐渐增大趋势的原因.结果表明,球壳的几何限制效应和表面作用对受限溶液密度分布的影响较大,从而导致溶质振动弛豫的显著变化.此外,非限制体系模拟显示,非平衡态分子动力学(NEMD)方法可以得到与平衡态分子动力学方法较一致的振动能量弛豫时间T1.     

分子动力学模拟纳米尺寸限制体系下氩溶液中I2的振动能量弛豫

利用平衡态分子动力学方法(EMD)模拟了纳米尺寸限制球壳内I2在Ar溶液中的振动能量转移. 计算并讨论了I2振动能量弛豫时间T1随球壳半径、溶剂密度的变化规律. 通过分子间相互作用分析, 在原子、分子水平上, 揭示了随着球壳半径的减小, T1呈逐渐增大趋势的原因. 结果表明, 球壳的几何限制效应和表面作用对受限溶液密度分布的影响较大, 从而导致溶质振动弛豫的显著变化. 此外, 非限制体系模拟显示, 非平衡态分子动力学(NEMD)方法可以得到与平衡态分子动力学方法较一致的振动能量弛豫时间T1.     

Ar—Kr溶液扩散系数的分子动力学模拟及其与温度的关系

用分子动力学模拟方法研究确定Ａｒ－Ｋｒ溶液的自扩散系数Ｄ１、Ｄ２和互扩散系数Ｄ１２以及它们随温度变化的规律。结果表明，分别用Ｇｒｅｅｎ－Ｋｕｂｏ法和Ｅｉｎｓｔｅｉｎ法得到的扩散系数在数值上一致；该溶液的３种扩散系数均满足Ｄ＝Ｄ０ｅ＾Ｅ／ＲＴ关系。     

高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、 动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、 回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.     

甲酰胺水溶液的分子动力学模拟

为了解重要的生化模型甲酰胺在水溶液中的微观结构, 采用全原子力场在全浓度范围内对甲酰胺溶液进行了分子动力学模拟, 得到了溶液的径向分布函数, 分析计算了溶质和溶剂分子间的相互作用, 对甲酰胺和水分子的氢键缔合情况进行了分析. 研究发现羰基侧的H原子与水分子能形成C—H…O弱相互作用. 在作者早期的研究中发现, 此相互作用对于阻碍甲酰胺的异构化具有重要意义, 特别是当甲酰胺在溶液中含量增大时, 此相互作用更加不能忽视. 全浓度溶液的模拟表明, 甲酰胺在稀浓度区可以促进水局部结构的增强, 随FM浓度增加, 由水的自身缔合转变为水与FM的交叉缔合, 在FM高浓度区, 两者的交叉缔合将逐渐被甲酰胺自身的线状缔合代替.     

纳米器件的分子动力学模拟

分子动力学广泛应用于分子体系, 但受限于计算能力, 一般难以用于纳米器件的研究. 本文采用自主开发的超大规模分子动力学仿真程序(NanoMD), 构建了原子级的纳米齿轮模型, 并以此为代表实现了对具有高速转动特性的纳米器件的模拟. 通过位错和缺陷分析, 确定了纳米器件在高速转动过程中的应力分布以及失效机制, 并明确了以极限弹性转速为依据的材料强度衡量模式. 研究发现纳米器件在极限转速方面存在明显的尺寸效应: 随着器件直径的减小而单调增大, 随着轴径的缩小而先增大后减小.     

气体分子在纳米孔道材料中扩散传输的分子动力学研究进展

随着计算机科学技术的迅猛发展以及分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟技术的不断完善,MD模拟已成为微观尺度上研究流体动态性质的有力工具,越来越多地应用到气体分子扩散传输的研究中.本文综述了近年来气体分子在纳米孔道材料中扩散传输的MD研究进展,包括单组分或多组分气体在人工纳米管、多孔膜材料、金属有机骨架多孔材料以及生物蛋白通道等的扩散传输,报道了温度、压强、气体组分以及纳米孔道材料结构等因素对扩散传输过程的影响.     

分子动力学模拟全氟辛酸钠在水中的分布

为从微观上探究氟碳型表面活性剂在水中的分布情况,使用全原子分子动力学方法模拟了全氟辛酸钠(Na-PFO)在水中的分布情况。模拟平衡后,PFO^-分布在水/气界面处,且疏水的氟碳链朝向气相,亲水的羧酸根浸在水中,形成层状分布,径向分布函数证明钠离子主要分布在水中的羧酸根附近。羧酸根可与周围的水分子形成氢键,且显负电性的氟原子也可与水分子形成氢键,钠离子与水分子之间具有吸引作用,但不形成氢键;钠离子主要分布于PFO^-的氧原子附近。     

氧气在碱溶液中结构与扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对不同温度(25-120 ℃)及碱浓度(1:100-1:5, 摩尔比)下NaOH和KOH溶液中的氧气进行了模拟. 本文考察了NaOH及KOH溶液中溶剂-溶剂、氧气-溶剂及氧气-溶质的径向分布函数, 并采用爱因斯坦方程从均方位移曲线中计算得到了氧气及溶质离子的扩散系数. 结果显示随着碱浓度的升高, 氧气扩散系数逐渐减少; 在相同条件下, 氧气在NaOH溶液中扩散系数小于在KOH溶液中的扩散系数; 溶质离子扩散系数的变化规律与氧气一致. 通过与现有实验结果对比, 发现了分子动力学方法的可靠性及用于研究实验受限领域的优越性.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1：1 的甲醇-水混合溶液在纳米碳管（CNT）中的静态结构以及输运行为. 研究发现：在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失. 另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

单壁碳纳米管内受限溶剂中振动光谱探针的混合量子-经典动力学模拟

利用混合量子-经典动力学模拟方法, 考察了不同管径的单壁碳纳米管(SWCT)中受限溶剂氩的径向分布以及溶质I2分子的振动弛豫动力学, 给出了I2分子的振动频率位移、振动弛豫时间随受限碳纳米管管径尺寸变化的关系. 以I2分子的振动频率位移为探针, 根据I2分子与周围环境作用的实时信息, 分析了管壁、受限溶剂对光谱探针的贡献, 在原子、分子层次上揭示了诱导频率位移的微观机制; 此外, 通过分析探针光谱的敏感性以及探针分子频率位移与振动弛豫时间的关系, 进一步阐明了振动频率位移是考察受限凝聚相中分子间相互作用的较好的探针.     

Monte Carlo Simulation of ABA Triblock Copolymer Melts Confined in a Cylindrical Nanotube

Monte Carlo simulations were used to identify the microphase morphologies of ABA triblock copolymer melts confined in a cylindrical nanotube. The influences of the volume fraction of mid‐block B (f_B), the radius of nanotube (R) and the asymmetry of ABA triblock copolymer chain were discussed in detail. When f_B varies, a series of double‐continuous, three‐layer concentric cylinder barrel, porous net, double helixes and the new multiplex structures were observed under different conditions. In addition, the stacked disk, catenoid‐cylinder and multi‐layer concentric cylinder barrel structures occur in turns at changing R. The relation between circular lamellae period L and layer number N_layer of concentric cylinder barrel with the increase of R was investigated to further explain the put‐off phenomenon of microphase transition of the multi‐layer concentric cylinder barrel structures. As for the increase of the asymmetry of ABA triblock copolymer chain, it was concluded that the short A_I segments tend to site at the interface between rich A and B circular lamellae.

     

受限于不同螺旋性的纳米碳管中水的分子动力学模拟

近年来将纳米碱米碳管引入到与生命过程息息相关的离子通道膜的研究逐渐成 为热点，而其中的关键就是要了解受限于膜孔道（碳管）中水分子的行为。采用分 子动力学模拟在300 K和1.01 * 10~5 Pa下对受限于（6，6）armchair型和（10， 0）zigzag型纳米碳管中的水进行了研究，得到了水分子在碳管中的局部密度分布 等静态性质以及水分子在碳管中的传递等动态性质，并对不同势能模型的模拟结果 作了比较。结果表明选择不同的势能模型并没有改变此体系的固有性质，即水分子 不仅能够进入到憎水性的（6，6）碳管中而且能形成一条稳定的由氢键相连的纵列 （single file），而且在管中以纵列的形式进行同歇传递。此外，碳管螺旋性对 受限水的静态性质影响不大但对动态性质则有一定程度的影响，水分子在（10，0 ）zigzag型碳管中的传递能力要强于在（6，6）armchair型碳管中的能力。     

端基改性碳纳米管膜分离Li+/Mg2+的分子动力学模拟

通过向"扶手椅"型(10,10)碳纳米管一端添加不同数量的COO-和NH+3修饰基团建立连续的碳纳米管膜模型,利用分子动力学模拟的方法研究了80 MPa水压力下Li+和Mg2+在膜中的通量和密度分布并计算了两种离子进入修饰碳纳米管的平均力势。结果表明,恰当的修饰基团添加使(10,10)碳纳米管能够有效分离Li+和Mg2+。带电基团与离子间静电作用力所产生的束缚和排斥作用使离子在纳米管内通量下降,Mg2+在修饰纳米管中的通量均为0,添加8个COO-以及4个NH+3基团均能完全阻挡两离子通过,在添加1个COO-和1个NH+3基团的情况下,Li+通量达到最大,具有最佳分离效果。因此,添加特定带电修饰基团可有效改善较大直径碳纳米管膜对Li+和Mg2+的分离性能,修饰基团电荷性质和数量对分离效果影响很大。     

碳离子碰撞单壁碳纳米管的动力学

采用分子动力学方法研究了碳离子碰撞碳纳米管中顶位、键中心和六元环中心的动力学过程。通过分析低、中、高3种入射能分别对碰撞过程的影响,探索了典型缺陷形成的微观演化过程。研究结果表明,碰撞碳纳米管中不同空间位置,其碰撞结果差异较大,其中顶位碰撞阈能最低,约为20 eV;碰撞六元环中心时碳管会发生严重变形,损伤最为严重。通过分析入射离子动能,碳纳米管热动能、质心动能以及势能随时间的演化规律,阐述了碰撞过程中的能量转移机制。     

碳离子碰撞单壁碳纳米管的动力学

采用分子动力学方法研究了碳离子碰撞碳纳米管中顶位、键中心和六元环中心的动力学过程。通过分析低、中、高3种入射能分别对碰撞过程的影响,探索了典型缺陷形成的微观演化过程。研究结果表明,碰撞碳纳米管中不同空间位置,其碰撞结果差异较大,其中顶位碰撞阈能最低,约为20 e V;碰撞六元环中心时碳管会发生严重变形,损伤最为严重。通过分析入射离子动能,碳纳米管热动能、质心动能以及势能随时间的演化规律,阐述了碰撞过程中的能量转移机制。     

Molecular Dynamics Simulations of Silica Nanotube: Structural and Vibrational Properties Under Different Temperatures

Four-, six-, and eight-membered ring silica nanotubes at temperatures from 300 K to 1600 Kare relaxed by classical molecular dynamics simulations with three potential models. Thesimulation results indicate that the stability of the end rings of the three silica nanotubes gradually decreases with increase in temperature. The validity of the vibrational features of silica nanotubes is shown by the vibrational density of states. Infrared spectra on the silica nanotubes under different temperatures are investigated. A detailed assignment of each spectral peak to the corresponding vibrational mode of the three nanotubes has been addressed. The results are in good agreement with the other theoretical and experimental studies.     

碳纳米管膜分离Li+/Mg2+的分子动力学模拟

采用"扶手椅"型碳纳米管建立了连续的碳纳米管膜模型,利用分子动力学模拟方法研究了Li+和Mg2+在膜中的传导行为.模拟研究了不同管径的碳纳米管CNTs(7,7),(8,8),(9,9),(10,10),(11,11)对Li+和Mg2+的通透性,检测了两种离子进入管内时的平均力势,探索了两种离子在碳纳米管内的径向、轴向密度分布,观测了个别离子在管内的运动轨迹.结果表明,模拟中CNTs(9,9)用于有效分离Li+和Mg2+的效果较好.管径不同,导致Li+和Mg2+通量不同,平均力势(PMF)差值不同,同时离子的轨迹和径向、轴向密度分布也有所差异.总之,碳纳米管是一种可将Li+和Mg2+分离的潜在材料.