静电场中水分子的扩散与液固相变

扩散与相变是本科阶段基础物理教学的重要内容.本文以体相水分子系统为例,基于分子动力学模拟,研究静电场环境下水分子的扩散和相变.在较小电场强度情况下,水分子表现出显著的大角度跳跃转动,且转动频次随电场呈先增加后减小的非单调行为.这种大角度跳跃转动的反常电场依赖性与水分子扩散系数随电场强度变化的非单调性存在较强相关性.在电场强度较大时,水分子系统发生液固相变,即电致结冰,并观察到了两种冰相沿电场方向的层状混合堆叠结构.该分子动力学模拟有助于学生从微观层次理解分子扩散与相变等物理现象的分子机制,可作为教学实例培养本科生的科研实践能力.     

高密度氦相变的分子动力学研究

采用分子动力学方法结合对关联函数分析计算了0–1000 K范围内氦的固–液相变曲线, 与实验数据的对比显示, 在0–500 K之间与实验数据符合很好, 500 K以上还没有相应的实验数据. 另外, 计算了钛金属中不同尺寸氦泡的压强, 并与高密度氦的固–液相变曲线进行了对比. 结果显示, 在低温条件下, 随着温度的降低, 钛晶体中可能会出现固态氦泡; 在300 K以上不会存在固态氦泡.     

接触角与液固界面热阻关系的分子动力学模拟

本文利用分子动力学方法模拟了液体在固体表面的 接触角及液固界面热阻, 并探讨了二者之间的关系. 通过分别改变液固结合强度和固体的原子性质来分析接触角和界面热阻的关系及变化趋势. 模拟结果显示增强液固间相互作用时, 接触角减小的同时界面热阻也随之单调减小; 而改变固体原子间结合强度和原子质量时, 接触角几乎保持不变, 但界面热阻显著改变. 固体原子间结合强度和原子质量影响界面热阻的原因是其改变了固体的振动频率分布, 导致液固原子间的振动耦合程度发生变化. 本文的结果表明界面热阻不仅与由接触角所表征的液固结合强度有关, 还与液固原子间的振动耦合程度有关. 接触角与界面热阻间不存在单值的对应关系, 不能单一地将接触角作为液固界面热阻的评价标准. 关键词： 液固界面 接触角 界面热阻 分子动力学模拟     

多形性相变的分子动力学模拟

 本文利用分子动力学方法研究了KCl晶体在ρ＝ρ₀时的温度相变。面心立方（fcc）和体心立方（bcc）两种结构的径向分布函数随温度的变化的情况说明，在高压下，发生着bcc结构相fcc结构的转变，bcc结构是不稳定的。为了选取合理的势参数，利用了分子动力学程序在T＝0时的性质，计算了NaCl和KCl晶体的零温状态方程，研究了它们在压力作用下发生的多形性相变。计算表明，NaCl和KCl晶体将分别于18.8 GPa和5.9 GPa发生从fcc到bcc的多形性相变，这些值相当接近实验结果。着说明本文选用的势参数势有一定精度的。     

Cu固液界面能的分子动力学计算

本文使用分子动力学方法对液相Cu中不同半径晶胚的生长和熔化行为进行了研究. 随着半径的增加, 晶胚生长的临界温度升高. 临界形核过冷度和晶胚半径倒数成正比关系, 这和经典形核理论一致. 由上述关系计算得到Cu的Gibbs-Thomson系数为1.12×10^-7 K·m, Cu的固液界面能为0.146 J/m², Cu的Turnbull系数为0.416, 这些计算值均与实验值一致. 关键词： 分子动力学 经典形核理论 固液界面能     

固液相变过程最优控制数学定解分析及其算法

本文应用分布参数系统控制理论,采用变分法系统地分析,导出了二维固液相变传热过程最优控制问题的数学 定解条件,提出模型离散和数值求解方法,对共轭梯度最优控制算法进行适应性分析。     

模型二元有序合金固液界面结构的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究了模型二元有序合金体系的平衡界面结构和界面处原子的扩散行为.计算结果表明,该二元有序合金的固液界面属于光滑界面.由于固体中同时存在结构和化学有序,从而导致界面处的原子结构与单质以及异质固液界面的结构明显不同.在界面法向方向上,粒子数密度呈复杂的波动行为,并延伸到液体中约30 (A).对界面层的二维结构分析表明,固液转变层部分原子形成了二维固体团簇.从固体到液体,扩散系数从零逐渐增加到一个饱和值.在界面处附近,平行于界面方向的扩散系数明显比垂直于界面方向的大.     

描述混合物固液相变的两个近似模型

 提出了描述混合物固液相变的两个近似模型：混合相模型和等效物质模型。通过对304钢的计算和比较表明，由两个模型计算得到的结果与直接利用304钢的材料参数计算得到的结果相符合。     

氘的气液界面及相变特性分子动力学仿真

氘作为重要的核聚变原料,其热物性数据是基础,而气液相界面特性和相变规律又是热物性的关键.国内外对氘的相界面特性研究甚少.本文基于分子动力学方法,采用截断移位Lennard-Jones 12-6势能函数模型描述原子间的相互作用,并考虑分子内部原子间键的谐振作用,对氘的气液界面特性及气液固相变过程进行了仿真研究,得到了氘在不同温度下气液界面过渡区域的厚度、表面张力值等;获得了氘的密度随相变过程的变化规律,并由此得出氘的熔沸点温度,上述计算结果与实验及文献值吻合良好.不仅从微观层面上揭示了氘的宏观热物性表征机理,而且所建立的仿真模型可直接用于预测缺乏实验工况下的氘热物性.     

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.     

相变材料热物理性质的分子动力学模拟

为从微观尺度探寻相变材料的热物性变化机理, 本文采用分子动力学的方法, 构建了由正二十二烷组成的无定形结构的相变材料体系, 采用周期性边界条件以及COMPASS力场对相变材料的比热以及导热系数进行了模拟, 并对纯正二十二烷进行了DSC测试. 结果表明, 模拟所得的相变材料热容与文献实验值的偏差是6.5%, 熔点与DSC实验值的偏差是0.98%. 当温度为288–318 K时, 相变材料的导热系数在0.1–0.4 W·m^-1·K^-1 范围内波动, 且随着压力增大略呈下降趋势. 关键词： 扩散系数 比热 导热系数 分子动力学     

脉冲激光诱导金属薄膜电离的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟研究了激光诱导金属薄膜的电离过程,对激光等离子体形成早期原子的运动轨迹、薄膜表面的温度变化以及原子的电离特性进行了详细分析,并探究了脉冲激光参数对原子电离过程的影响.结果表明,在激光照射过程中,薄膜表面先熔化而后又气化,气化的原子继续吸收激光能量继而电离.激光的峰值功率密度越大,原子电离速率越快,电离数目越多,薄膜表面的温度越高.脉冲宽度越小,原子电离速率越快,薄膜表面的温度越高,但原子的电离数目先增加后减小.     

超短激光诱导金属薄膜后向层裂的分子动力学模拟

 采用结合双温模型的分子动力学方法详尽描述了应力约束区域内部金属薄膜后向层裂的动力学过程。与辐照表面在激光加热作用下机械稳定性受到强烈影响而发生的前向喷射不同，后向层裂是冷材料的断裂。分析了层裂机制，得出靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生层裂;探讨了激光诱导压力波的传播规律，预测了不同靶厚下的层裂厚度及其对层裂开始时间的影响。     

超短激光诱导金属薄膜后向层裂的分子动力学模拟(英文)

采用结合双温模型的分子动力学方法详尽描述了应力约束区域内部金属薄膜后向层裂的动力学过程。与辐照表面在激光加热作用下机械稳定性受到强烈影响而发生的前向喷射不同,后向层裂是冷材料的断裂。分析了层裂机制,得出靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生层裂;探讨了激光诱导压力波的传播规律,预测了不同靶厚下的层裂厚度及其对层裂开始时间的影响。     

Molecular dynamics simulation of pervaporation in zeolite membranes

The pervaporation separation of liquid mixtures of water/ethanol and water/methanol using three zeolite (Silicalite, NaA and Chabazite) membranes has been examined using the method of molecular dynamics. The main goal of this study was to identify intermolecular interactions between water, methanol, ethanol and the membrane surface that play a critical role in the separations. This would then allow better membranes to be designed more efficiently and systematically than the trial-and-error procedures often being used. Our simulations correctly exhibited all the qualitative experimental observations for these systems, including the hydrophobic or hydrophilic behaviour of zeolite membranes. The simulations showed that, for Silicalite zeolite, the separation is strongly influenced by the selective adsorption of ethanol. The separation factor, as a consequence, increases almost exponentially as the ethanol composition decreases. For ethanol dehydration in NaA and Chabazite, pore size was found to play a very important role in the separation; very high separation factors were therefore possible. Simulations were also used to investigate the effect of pore structure, feed compositions and operating conditions on the pervaporation efficiency. Finally, our simulations also demonstrated that molecular simulations could serve as a useful screening tool to determine the suitability of a membrane for potential pervaporation separation applications. Simulations can cost only a small fraction of an experiment, and can therefore be used to design experiments most likely to be successful.     

抗氧化肽SHW作用于Keap1-Nrf2通路的分子动力学模拟

采用分子对接和分子动力学模拟的方法,研究了抗氧化三肽SHW与Keap1蛋白的相互作用,揭示了非竞争性结合的分子机制.分别位于Keap1的P1和P5活性口袋的Keap1蛋白关键残基ARG-415和TYR-525通过与SHW形成氢键来增强结合强度且对结合能有突出贡献. SHW的吲哚基团是与TYR-334、TYR-525和TYR-572形成疏水作用的关键,促进与P5口袋的结合.研究结果揭示了SHW通过Keap1-Nrf2信号通路作用于活性口袋的分子机制,为抗氧化剂的开发提供理论依据.     

应力对石墨烯热输运性质影响的分子动力学模拟

本文建立了低维薄膜材料导热模型,运用非平衡分子动力学模拟的方法,利用lanmmps软件对单层石墨烯纳米带的导热特性进行仿真分析,根据Fourier定律计算热导率,再对石墨烯纳米带的原子施加一定耦合应力场,把应力耦合作用下的石墨烯热导率与正常的石墨烯纳米带进行了对比研究,模拟数据结果表明:在石墨烯纳米带上施加耦合应力时,会导致石墨烯纳米带热导率升高,且随应力增加而增大,模拟范围内热导率升高2.61倍,并且应力方向会对热导率变化产生一定影响,这个研究为纳米尺度上石墨烯相关研究和进一步提升热导率提供了新思路.     

Molecular dynamics simulation study on mechanical responses of nanoindented monolayer-graphene-nanoribbon

We investigated the mechanical responses of the nanoindented graphene-nanoribbon (GNR)-resonator using classical molecular dynamics simulations. The nanoindented force in this work was applied to the GNR's local point and then, GNR-resonator's frequency could be tuned by a nanoindented depth. We found the hardening or the softening of the GNR during its nanoindented-deflections, and such properties were recognized by the shift of the resonance frequency. The linear elastic regime in low applied force is explicitly separated with the non-linear elastic regime in high applied force. In particular, at the threshold point, a very small change of the nanoindented depth can cause great change in the resonance frequency, and this property can enable the GNR to be applied to electromechanical relay switching devices and the quantum-computer in quantum-mechanical coupling as well as mass detectors, pressure sensors, accelerometers, and alarms.