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.     

铂薄膜导热特性的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学(NEMD)方法模拟分析了纳米铂(Pt)薄膜的导热性能与脉冲激光作用下的温度响应特性.结果表明,100～500 nm铂薄膜的法向导热系数比体材料值低很多,而且低于其面向导热系数;微米铂薄膜的温度响应时间在纳秒量级;在脉冲加热的初始阶段,有一快速非傅立叶热波沿铂薄膜的厚度方向传递.     

CO_2膨胀液体的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟了CO2膨胀甲醇体系、CO2膨胀乙醇体系的热力学性质和输运性质,以及对氯硝基苯在CO2膨胀甲醇体系、苯甲腈在CO2膨胀乙醇体系中的扩散性质。CO2膨胀甲醇体系的密度模拟值略高于实验值,而CO2膨胀乙醇体系的密度模拟值与实验值非常接近。模拟结果表明:CO2使甲醇和乙醇溶液的膨胀非常明显,当CO2的摩尔分数达到0.5时,溶液膨胀约100%;得到了CO2、甲醇、乙醇、对氯硝基苯以及苯甲腈的扩散系数,其中对氯硝基苯和苯甲腈在两种膨胀液体中的扩散系数与实验结果接近;通过扩散系数关联了两种膨胀液体的粘度,计算结果与修正的Wilke-Chang方程得到的体系粘度规律一致。     

高压下MgO熔化特性的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,模拟研究了高压下MgO的熔化特性．通过晶体的现代熔化理论,对MgO的分子动力学模拟熔化温度进行了修正,得到了高温高压下MgO的熔化温度．计算得到的MgO熔化曲线和已有的实验及其它理论结果在0-135 GPa进行了比较,发现修正得到的MgO熔化温度和由Lindemann熔化方程及两相方法得到的结果在压力低于15 GPa时符合很好．同时,MgO熔化模拟有效解释了一阶相变分子动力学过程中出现的过热熔化现象．     

CO2水合物生长特性的分子动力学模拟

采用分子动力学对CO2水合物生长进行模拟并分析其变化规律,探究了CO2水合物晶体生长的微观过程以及不同温度、压力条件对水合物生长特性的影响机理. CO2水合物的生长是从已有晶胞附近向外扩散并逐具有序性的过程,水分子间逐渐形成四面体氢键与CO2共同形成完整的水合物笼. 另外, CO2水合物生长需要合适的过冷度,在压力为30MPa、温度范围265K至275K,水合物笼型晶胞可正常生成,并且温度越低,生成速率越快;在高温290K和300K时,体系分子运动加剧,水合物笼直接散开. 此外,在温度为270K、不同压力条件下,发现相较温度而言,由于CO2溶解度随压力变化的不明显性,导致CO2水合物增长速度伴随压力的变化相对不敏感.     

高温高压下NaCl热力学特性的分子动力学模拟

欲了解固体物理和地球内部特征就要弄清固体在高温高压的热力学特性，而碱金属卤化物的研究有利于在实验室难以接近的高温高压条件下建立金属氧化物的相转变模型。文中应用分子动力学方法模拟NaCl离子晶体的高压熔化、高温高压下热力学参数，如热容、等压体膨胀系数、等温体模量、Gruneisen参数等。     

高温稠密等离子体的分子动力学模拟

将平均原子模型和密度泛函理论相结合,发展了一个计算高温稠密等离子体中离子之间平均相互作用势的理论模型. 利用平均原子模型考虑了高温稠密物质中电子的激发和密度效应对电子结构的影响,利用动能和交换相关能的局域密度泛函近似计算离子之间的平均相互作用. 基于发展的相互作用势模型,开展了分子动力学模拟,研究了高温稠密Al和Fe等离子体的状态方程.     

典型表活剂与稠油在蒙脱石表面吸附行为的分子动力学模拟

为探究蒸汽与表面活性剂复合驱对稠油与黏土矿物表面吸附稳定性的影响,建立表活剂溶液、稠油和蒙脱石的三元吸附体系,采用分子动力学方法阐释稠油与表活剂在蒙脱石表面的微观竞争吸附机理。计算结果表明：非离子型表活剂难以与蒙脱石表面接触,但在高温吸附质环境中具有较强的扩散能力;阳离子型表活剂在较低温度下占据蒙脱石表面吸附位点并使稠油分子脱离蒙脱石;而阴离子表活剂在高温条件下容易使稠油分子远离蒙脱石。高温促使沥青质聚集核离散,从而促进稠油的流动,但会导致部分表活剂更加亲附蒙脱石而造成非必要的损失。本研究为合理调整温度与表活剂的匹配性,为敏感性稠油油藏的开发提供了良好的应用前景及推广意义。     

多核环境下的分子动力学模拟

本文在多核环境下,使用OpenMP实现了经典分子动力学模拟程序的并行;同时对分子动力学模拟进行了两项主要的优化:分子排序及运用SIMD指令运算.在4核下获得了4.13倍的计算性能提升,将经典分子动力学模拟的模拟规模提高至4000分子×10~7模拟总步数.     

氯化铵水溶液的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,使用Material Studio软件中的COMPASSⅡ力场,模拟了温度为298 K时质量分数分别为1%、5%、10%、20%及28%的氯化铵溶液中离子的动力学性质.发现随着浓度增加,水分子周围不再有明显的第二配位圈,NH_4~+和Cl~-配位数都减少,离子水化数、水化半径也随之减小.水分子中的H比NH_4~+中的H对N_((NH4))的影响作用要强的多.在氯化铵水溶液,NH_4~+中的N及H都是由周围水分子中的氧原子来靠近,而Cl~-则由周围水分子中的氢原子去靠近. NH_4~+及Cl~-的加入确实破坏了溶液中的氢键,但是NH_4~+与水分子间也生成了新的氢键,并且生成的数量大于被破坏的数量,但是氢键力却变弱了,这是之前研究当中没有人提过的现象.随着浓度增大,H_2O、NH_4~+及Cl~-的扩散系数逐渐降低,而降低幅度排序为NH_4~+ Cl~- H_2O.     

棱形石墨烯纳米孔道内离子传输性能的分子动力学模拟

纳米通道的尺寸、结构和表面化学对其内部溶液的分布结构和输运性质有着重大影响.本文研究了一种全新的菱形石墨烯纳米通道.这种理想的通道与最近被广泛研究的金属有机框架材料(MOF)的内部结构类似,有着与传统的碳纳米管截然不同的内部结构.本文使用分子动力学模拟的方法研究在不同尺寸的菱形石墨烯纳米通道内的KCl溶液的性质,并将其与同尺寸的单壁碳纳米管进行了比较.研究结果表明在小孔道内(<20?)其内部的溶液结构呈现若干个密度极高的聚集区域,即出现了结晶化的趋势．这一研究结果,将为MOF的结构设计提供思路,从而有望实现类似于生物离子通道的高选择性和高传输能力.     

Molecular dynamics study of swelling patterns of Na/Cs-montmorillonites and hydration of interlayer cations

We report on a molecular dynamics study of swelling patterns of an Na-rich/Cs-poor montomorillonite and a Cs-montomorillonite. The recently developed CLAYFF force field is used to predict the basal spacing as a function of the water content in the interlayer. The simulations reproduce the swelling patterns of the Na and Cs-montomorillonite, suggesting a mechanism of its hydration different from that of the montomorillonite. In the meanwhile, we find that the differences in size and hydration energy of Na and Cs ions have strong implications for the structure and the internal energy of interlayer water. In particular, our results indicate that the hydrate difference in the presence of coexistent Na and Cs has a larger influence on the behavior of clay-water system. For Na-rich/Cs-poor montomorillonite, the hydration energy values of Na ions and water molecules each have a dramatic increase compared with those in Na-montomorillonite on the interlayer spacing, and the hydration energy values of Cs ions and water molecules decrease somewhat compared with those in Cs-montomorillonite.     

高温高压下闪锌矿相GaN结构和热力学特性的分子动力学研究

利用分子动力学方法和Buckingham经验势模型对重要半导体材料GaN立方闪锌矿相的晶格常数、相变压力(从闪锌矿到岩盐结构)、热膨胀、等温体模量、定压热容等结构和热力学特性在300—3000K的温度范围和0—65GPa的压力范围内进行了研究.研究表明，闪锌矿相GaN常态下的结构和热力学参数的模拟结果与实验数据及其他理论结果相符.同时在所选作用势模型可靠性检验的基础上，对等温体模量、定压热容诸非谐性参量在高温高压下的热力学行为进行了预测.所得结果在材料科学等领域的研究中具有一定的应用背景和参考价值. 关键词： GaN Buckingham势 分子动力学模拟 高温高压     

高压作用下相分离液体玻璃转变的分子动力学研究

采用分子动力学模拟方法,研究了二元混合液体在不同外压作用下的相分离与玻璃转变过程,计算了相分离液体在玻璃转变过程中的结构和动力学特征.研究发现,外压会促进相分离的产生,并提高玻璃转变温度,会使β弛豫出现的温度更高、存在的时间更长,导致系统扩散性降低.同时还发现,相分离液体的玻璃转变过程存在微观不均匀现象. 关键词： 相分离 玻璃转变 分子动力学模拟 外压影响     

氯化钠晶体在高温高压下热物理参数的分子动力学计算

用分子动力学方法和优化的Tosi-Fumi有效两体势函数计算了NaCl晶体温度从298?K到773?K的等温压缩线和体积模量、热膨胀系数和格临爱森系数等热物理参量.计算结果表明，NaCl晶体在温度从298?K到1073?K、压力从0到80?GPa范围内的格临爱森系数γ=γ ₀(V/V₀)^q的近似公式成立，且q≈1078. 关键词： 分子动力学计算 格临爱森系数 氯化钠晶体     

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.     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

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