纳米镍团簇表面性质及能量的分子动力学研究

在单分散金属纳米粒子制备过程中,金属烧结现象需要尽量避免。烧结与诸多因素有关,其中金属纳米粒子的表面性质和能量对烧结作用有着重要影响。本工作利用分子动力学,以4种不同粒径的金属Ni纳米团簇为研究对象,在COMPASS力场下对不同温度下其表面积、扩散性质、表面能以及比表面能等进行了计算。结果显示,随着温度从300K升至1000K,纳米团簇的表面积稍微增加了约5%,表面层扩散系数显著增加了约3个数量级,表面能量升高了约15%,同时表面层与体相的能量差明显增加了近3倍。比表面能定义为增加单位表面积所引起的表面能的增量。计算结果表明,700K时团簇的比表面能比镍熔点处的表面张力高出约3个数量级,预示着团簇烧结具有强大的推动力。比表面能随温度升高以及粒径增大而下降,与热力学原理相一致。     

具有微纳米结构超疏水表面润湿性的研究

本文综述了近年来具有微纳米结构超疏水表面的研究进展。介绍了具有微纳米结构超疏水表面的制备方法,表面结构对超疏水性能的影响,周期性结构表面超疏水的条件,超疏水表面接触角滞后以及功能化超疏水表面等方面的研究,探讨了这一领域存在的问题及可能的发展方向。     

纳米粒子相变的分子动力学研究：Cu453的性质、结构与结晶成核

Molecular dynamics （MD） computer simulations have been carried out to study the structures, properties and crystal nucleation of nanoparticles with 453 Cu atoms. Structure information was analyzed from the MD simulations, while properties of nanoparticles of Cu453, such as melting point, freezing temperature, heat capacity and mo- lar volumes, have been estimated. The face center cubic （FCC） phase and icosahedron （Ih） phase were observed during the quenching process, and nucleation rates of crystallization to FCC crystal of Cu453 at temperatures of 650, 700, 750, and 800 K were analyzed. Both classical nucleation theory （CNT） and diffuse interface theory （DIT） were used to interpret our observed nucleation rates. The free energy and diffuse interface thickness between the liquid and the FCC crystal phases were estimated by the CNT and DIT respectively, and the results show that the DIT does not work properly to the system.     

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.     

水中受拉伸负载下单壁纳米碳管机械性质的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了(5,5)扶手椅型和(10,10)锯齿型纳米碳管在水中受拉伸负载下的机械性质.通过计算纳米碳管中氧和氢原子的局部密度分布研究了限制效应.结果表明,碳管在水中的杨式系数与在真空下相同,而碳管在水中的拉伸应力小于在真空中的.     

分子动力学模拟纳米晶体银的结构和性能

通过分子动力学方法,采用以局域密度（LDA）近似和二阶动量矩（SMA）近似为基础的多体势函数,模拟了纳米面心立方晶体银的结构,对模拟的结果进了不同尺寸的纳米晶体的能量分布,弹性常数,表面能及熔点等计算,并与相应的实验结果进行了比较,结果表明采用此多体势函数模拟纳米晶体的结构和性能,比用其它势函数更精确,与实验结果更吻合。     

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.     

金纳米颗粒周围水的结构和动力学性质的分子动力学模拟

采用经典的分子动力学模拟方法系统地研究了在常温条件下金纳米颗粒周围水的结构与动力学性质. 结果表明, 水分子在纳米颗粒附近形成了明显的多层结构. 同时随着径向距离的减小, 水分子的空间取向也从无序排列趋向于有序排列. 通过分析界面处不同水层中的均方位移及停留时间分布, 发现紧贴颗粒表面的第一和第二水层中的水分子表现出很低的扩散系数, 而第三和第四水层中的水分子则能够轻易地离开界面区域而进入主体相区域. 此外, 在界面处的每个水分子的氢键平均数要高于在主体相的平均值.     

金属表面分子纳米结构的构筑及性质研究

结合近期研究工作, 简要介绍了在溶液环境下, 利用有机分子在金属表面构筑纳米结构, 利用光化学反应方法调控所得的纳米结构, 利用电化学扫描隧道显微镜对这些结构进行观察, 及利用毛细管隧道结方法测量纳米结构电学性质的相关结果. 并展望了表面纳米结构的构筑、控制和性质研究领域的发展趋势.     

水相湿法改性纳米碳酸钙表面性质的研究

用特定的表面改性剂在水相中对纳米碳酸钙的悬浮液进行了湿法改性。红外光谱和热失重分析证明,改性剂与碳酸钙之间以化学键结合;沉降体积和接触角的测定结果说明改性粒子在液体石蜡中的润湿性和疏水性得到了提高;透射电子显微镜照片显示改性粒子在液体石蜡中有更好的分散性;体系粘度实验表明改性粒子与液体石蜡之间有较好的相容性。     

表面上锚定聚乙烯链聚集的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了锚定于二维无限大表面上的聚乙烯分子链的聚集和有序化过程.聚乙烯链与表面的相互作用采用一个以平面法向距离为函数的势能表达式S(z).以均方回转半径垂直于表面的分量s²⊥作为指标,考察了模拟过程中表面势能函数的强度效应和模拟体系的温度效应.研究了锚定聚乙烯在表面上聚集的有序化过程,考察了锚定聚乙烯链的聚集成核的动力学过程,聚集体的形貌及分子量依赖性.发现锚定聚乙烯在300K时只在锚定点附近形成一个局部有序结构,然后以此为核进行生长.在模拟得到的有序程度不同的聚集体结构中,锚定点都位于聚集体链轴的端面.     

中介尺度Au纳米团簇熔化的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术，研究了原子个数为16～8628的 Au纳米团簇的熔化过程.采用 Johnson的EAM (embedded atom method) 模型,模拟结果表明，金属纳米团簇存在一中介尺度区域.对Au纳米团簇而言，当原子个数N >456时，团簇的热力学性质与团簇尺寸呈线性关系，熔化首先从表面开始，逐步向中心区域推进，且满足Tmb－Tmc(N)＝aN(－1/3)的关系.另外，计算了中介区域的团簇的尺寸、熔化温度、表面能、熵、焓等热力学量以及均方根位移（RMSD）等动力学量，为研究纳米团簇提供定量数据.     

First and Second Hydration Shell of Ni2+ Studied by Molecular Dynamics Simulations

Molecular dynamics simulations of a Ni²⁺ ion in water have been carried out to investigate the structure and dynamics of water molecules around the nickel, extending the analysis to the second hydration shell. The structural parameters as well as the motions of water molecules in various sub-structures of the solution have been evaluated giving a detailed picture of the motional modes of water molecules     

Effect of Size and Temperature on Water Dynamics inside Carbon Nano-Tubes Studied by Molecular Dynamics Simulation

Water transport inside carbon nano-tubes (CNTs) has attracted considerable attention due to its nano-fluidic properties, its importance in nonporous systems, and the wide range of applications in membrane desalination and biological medicine. Recent studies show an enhancement of water diffusion inside nano-channels depending on the size of the nano-confinement. However, the underlying mechanism of this enhancement is not well understood yet. In this study, we performed Molecular Dynamics (MD) simulations to study water flow inside CNT systems. The length of CNTs considered in this study is 20 nm, but their diameters vary from 1 to 10 nm. The simulations are conducted at temperatures ranging from 260 K to 320 K. We observe that water molecules are arranged into coaxial water tubular sheets. The number of these tubular sheets depends on the CNT size. Further analysis reveals that the diffusion of water molecules along the CNT axis deviates from the Arrhenius temperature dependence. The non-Arrhenius relationship results from a fragile liquid-like water component persisting at low temperatures with fragility higher than that of the bulk water.     

聚苯乙烯在石墨表面吸附的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟方法研究了单链聚苯乙烯(PS)在石墨表面的吸附. 模拟结果表明, 吸附后PS在平行于石墨表面的方向可视为准二维椭圆结构, 并且在此方向上的均方回转半径值(R2∥)与其所含单体数目(N)具有指数关系R2∥-N2v, 指数2v约等于1.04; 最后指出PS吸附过程的主要驱动力为PS链段与表面之间的范德华作用力.     

ZnCl2熔盐的分子动力学模拟

近年来，若干作者根据几种粒子间函数，对ZnCl2熔盐结构做过分子动力学模拟［1－3］其出的Zn－Cl和Cl－Cl离子间的偏径向分布函数与中子衍射实测值符合较好，但Zn－Zn离子间距以及Zn－Zn间配位数计算值多偏高．鉴于Busing势函数在多价卤化物馆盐的分子动力学计算中应用效果较好[4],我们试用Busing势函数为基础对ZnCl2熔盐结构和能量做分子动力学计算．1研究方法计算所用粒子势为Busing势函数此处，Zi为离子的电行数（ZZn。＋＝2，Zcl－＝1），几；是离子有效半径，人为＊离子的“硬度”参数·据文献问，f二0．005071，尸zn。十二0．…     

十二烷基苯磺酸钠在SiO2表面聚集的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)在无定形SiO2固体表面的吸附. 设置不同的水层厚度, 观察固液界面和气液界面吸附的差异. 模拟发现表面活性剂分子能够在短时间内吸附到SiO2表面, 受碳链和固体表面之间相互作用的影响形成表面活性剂分子层, 并依据吸附量的大小形成不同的聚集结构; 在水层足够厚的情况下, 由于有较多的表面活性剂分子吸附在固体表面,从而形成带有疏水核心的半胶束结构; 计算得到的成对势表明极性头与钠离子或水分子之间的结合或解离与二者之间的能垒有关, 解离能垒远大于结合能垒, 引起更多Na+聚集在极性头周围而只有少数Na+存在于溶液中; 无论气液还是固液界面, 极性头均伸向水相, 与水分子形成不同类型的氢键. 模拟表明, 分子动力学方法可以作为实验的一种补充, 为实验提供必要的微观结构信息.     

小尺寸金属团簇熔化过程的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟了小尺寸金属团簇的熔化过程, 原子之间的作用采用嵌入原子法(EAM)模型, 计算了均方根键长涨落δ随温度的变化, 以及升温过程中团簇热容的变化. 包含55、56个原子的面心立方(FCC)结构Au团簇的熔化过程是基本相同的. 而同样结构和数目Cu团簇的熔化过程却呈现出不同的趋势. Cu55、Cu56在模拟过程中都出现了FCC结构到二十面体结构的转变. 但由于表面多出了一个原子, Cu56的热容曲线比Cu55多了一个峰, 体系出现了预熔化现象. 这表明小尺寸团簇的固液转变的过程与团簇的原子类型、几何结构和原子数目密切相关.     

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.     

Surface Energy and Wettability of Plasma-treated Polyacrylonitrile Fibers

Polyacrylonitrile fibers were treated with a nitrogen glow-discharge plasma. The surfaces of untreated and treated fibers were examined with contact angle measurements, atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Surface energy calculations of the fibers were carried out from contact angle measurements using the relationships developed by Fowkes. It is found that plasma treatment causes a reduction in water contact angle on the fiber surfaces. The dispersion component of surface energy changes slightly, while the polar component is increased significantly from 14.6 mN/m to 58.7 mN/m and the total surface energy increase is 139%. The increase of surface energy is mainly caused by the introduction of hydrophilic groups on the fiber surfaces after plasma treatment.