微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上的运动

近年来, 微观尺度下水滴在能量梯度表面上的运动情况受到了广泛关注, 然而通过实验进行研究尚存在困难. 本文利用分子动力学方法研究了不同微结构表面上纳米水滴在表面能梯度驱动下的运动情况. 结果表明: 槽状和柱状微结构可以明显提升纳米水滴在微结构表面上的运动效率, 钉状微结构会降低纳米水滴的运动效率, 尽管它具有稳定的疏水性; 结合槽状和钉状结构的混合状微结构兼具二者的优点, 不但可以有效地提高纳米水滴在粗糙表面上的运动效率, 而且具有比较高的疏水稳定性. 此外, 表面能的微小改变会明显影响水滴的运动效率.     

纳米粒子碰撞下的单晶硅表面非晶相变

应用分子动力学模拟研究了在纳米粒子的碰撞作用下，单晶硅表面局部区域的物相转变和结构演变. 模拟表明在碰撞过程中，基体表面碰撞区域从初始的单晶体转变为熔融态，经历过冷液体状态之后凝固成为了非晶态. 模拟揭示的凝固转变温度与硅玻璃化温度很接近. 在颗粒反弹阶段，与发生的冷却过程和压力去除过程相一致，碰撞区域从瞬态的、高度无序、高度致密的过冷状态开始，经历了结构有序度的增加和向相对疏松状态的转变. 碰撞之后所得非晶硅的平均配位数为5.27，其中配位数5，6原子构成了碰撞区域原子总数的61.5%.     

氢对几种非晶态合金磁性的影响

本文研究了电解充氢对3种不同成分的非晶态合金磁性的影响。实验结果表明,充氢后试样变得很脆,软磁特性显著变劣,但饱和磁化强度σ₃和平均超精细场H_f显著提高。将试样在室温下放置,随着氢气的外逸,磁性、韧性以及H_f可得到逐步恢复。 关键词：     

压强对Zr_(67)Ni_(33)非晶合金结构和动力学性能的影响

采用分子动力学的方法模拟Zr_(67)Ni_(33)合金液体在不同压强下快速凝固过程,通过结构分析方法如对分布函数、配位数、Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法,以及动力学参数如均方位移、自散射关联函数、非高斯参数研究压强对Zr_(67)Ni_(33)非晶合金局域原子结构和其过冷液体动力学性能的影响.研究结果表明:压强越大,Zr_(67)Ni_(33)非晶合金中Zr-Ni原子间的相互作用越强,体系结构有序性越强,过冷液体中动力学减慢和动力学不均匀现象越显著.     

非晶态物质原子局域连接度与弛豫动力学

非晶态物质的本质及形成过程是凝聚态物理领域最困难也是最有趣的问题之一.非晶形成过程在原子结构上不会衍生出人们在传统晶体结构里所熟悉的长程有序性,因此对于此类在自然界中广泛存在的物质形态,至今还没有有效的实验表征手段和理论研究方法.非晶态物质的原子结构及其构效关系的研究是凝聚态物理和材料科学等众多研究领域所关注的热点问题之一.随着对非晶态物质物性研究的深入,人们逐渐意识到非晶态物质中原子中程序对系统性质的重要影响,建立以中程序为基础的结构-动力学关系对于理解玻璃及玻璃转变的本质起着重要的作用.本文简要综述了基于图论提出的原子局域连接度这一新的结构序参量在液体和玻璃的结构及构效关系研究中的应用.新的结构序参量从过去侧重于关注局域原子团簇的种类和分布,转移到更加关注某一类具有特殊对称性的原子的空间连接情况,即更多地尝试从原子中程序的角度来建立非晶态物质中的构效关系.新的研究结果表明,局域连接度可与非晶态物质中原子的短时或长时动力学行为、输运方式、以及振动模态等一系列物理性质建立联系.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

非晶Ti3Al合金的变形晶化机理的原子模拟

利用分子动力学方法研究了非晶Ti3Al合金拉伸过程中的晶化行为,模拟结果表明局部塑性变形导致非晶合金晶化.从微观结构演化的角度分析了拉伸过程中的晶化机理,局部剪切导致拉伸过程中晶粒发生成核与合并,最终生成的晶粒具有面心立方结构.晶核的生长过程伴随着应力强化现象,非晶相中的纳米晶粒能提高非晶合金材料的强度.     

非晶Ni88P12合金薄膜的表面形貌特征与晶化行为的研究

采用化学镀的方法在363K和p型Si（100）衬底上制得非晶Ni₈₈P₁₂合金薄膜．利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描隧道显微镜和原子力显微镜对非晶合金薄膜及其经处理后形成的氧化态、还原态和晶态的结构、组分和表面的形貌特征作了研究，并对它的晶化行为作了初步探讨．结果表明，非晶合金薄膜是由纳米级微粒聚集成微米级颗粒组成；在低于晶化温度条件下经氧化和还原处理后的薄膜表面晶化；在晶化过程中，合金薄膜的非晶纳米微粒转变为微晶后长大成晶粒，其表面结构光滑平坦，几何边界 关键词：     

非晶合金结构演变影响玻璃形成能力的分子动力学研究

通过分子动力学方法模拟了Ti75Al25、Ni50Zr50和Cu50Zr50非晶合金的玻璃转变过程, 得到并分析了平均原子体积和双体分布函数等结构参数, 并应用Voronoi多面体指数分析法统计了玻璃转变过程中二十面体及类二十面体团簇的数量, 通过分析团簇在玻璃转变过程中种类和数量的涨落趋势, 研究了非晶原子由短程序连接至中程序再至长程无序的动力学演化过程. 结果表明, 非晶合金的玻璃形成能力以及塑性变形能力与动力学演化过程中Voronoi团簇的种类和数量密切相关. 在玻璃转变过程中局部五次对称性高的团簇倾向于连接在一起形成链,从而密排整个空间, 降低系统的动力学行为从而提高玻璃形成能力. 塑性形变倾向于发生在局部五次对称性较低的区域. 在玻璃转变温度附近团簇种类和数量的突变反映出非晶合金的自组织临界行为, 蕴含着丰富的非线性动力学现象.     

水滴撞击结冰过程的分子动力学模拟

利用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度水滴撞击冷壁面的结冰过程.数值模拟中,统计系统采用微正则系综,势能函数选用TIP4P/ice模型,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解采用文莱特算法,水滴内部结冰过程则通过统计垂直方向水分子温度分布来判定.研究发现,当冷壁面温度降低时,水滴完全结冰的时间减小,但水滴降至壁面温度的时间却增大;同时随着壁面亲水性降低,水滴内部热传递速度减慢(尤其是冷壁面与水滴底端分子层间),水滴内部温度趋于均匀,但水滴完全结冰时间延长.     

Ca70Mg30金属玻璃形成过程热力学、 动力学和结构特性转变机理的模拟研究

采用分子动力学方法对Ca₇₀Mg₃₀合金快速凝固玻璃形成过程进行了计算机模拟, 深入分析了液-固玻璃转变过程热力学、 动力学和结构特性的转变机理, 对不同方法所确立的玻璃转变温度之间的关系进行了探讨. 结果表明: 本模拟计算所获得的Ca₇₀Mg₃₀金属玻璃的结构因子和玻璃转变温度均与实验结果符合, 而且二十面体局域结构对Ca₇₀Mg₃₀金属玻璃的形成起决定性作用. 由于周围原子形成的瞬时"笼子效应", 过冷液体动力学特性逐渐偏离Arrhenius规律而满足模态耦合理论的幂指数规律. 动力学玻璃转变温度接近于微观结构玻璃转变温度, 但高于热力学玻璃转变温度; 而且它们与理想动力学玻璃转变温度之间满足Odagaki关系.     

Cooling rate dependence and local structure in aluminum monatomic metallic glass

Abstract

The local atomic structure in aluminium monatomic metallic glass is studied using molecular dynamics simulations combined with the embedded atom method (EAM). We have used a variety of analytical methods to characterise the atomic configurations of our system: the Pair Distribution Function (PDF), the Common Neighbour Analysis (CNA) and the Voronoi Tessellation Analysis. CNA was used to investigate the order change from liquid to amorphous phases, recognising that the amount of icosahedral clusters increases with the decrease of temperature. The Voronoi analysis revealed that the icosahedral-like polyhedral are the predominant ones. It has been observed that the PDF function shows a splitting in the second peak, which cannot be attributed to the only ideal icosahedral polyhedron 〈0, 0, 12, 0〉, but also to the formation of other Voronoi polyhedra 〈0, 1, 10, 2〉 . Further, the PDFs were then integrated giving the cumulative coordination number in order to compute the fractal dimension (d_f).     

金属液体结构与性能研究的新进展

金属液体的结构演化与其性能的关联一直都是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。文章介绍了金属液体结构的研究方法,以及液—液相变、物性参数和易碎性指数与其结构之间的内在关联性等基础科学问题的最新研究进展。随着金属液体结构和性能研究的不断深入,特别是大量先进实验方法的引入,加深了人们对金属液体的认识,同时促进了新材料的开发和性能改善等。     

Nb添加对Cu-Zr非晶合金玻璃转变和晶化动力学的影响

采用铜模吸铸法制备出直径为2 mm的Cu_50.3Zr_49.7-xNb_x(x=0,2)大块非晶合金，利用示差扫描量热分析(DSC)研究了2at%Nb元素添加对Cu-Zr非晶合金玻璃转变动力学和晶化动力学的影响，发现含Nb合金具有较低的脆性指数，和较高的晶化激活能.这表明微量Nb的添加提高了该二元Cu基非晶合金过冷金属液相的热稳定性，从而有利于其非晶合金的形成. 关键词： Cu-Zr非晶合金 Nb添加 玻璃转变动力学 晶化动力学     

Wetting of liquid droplets on two parallel filaments

Droplet wetting on two parallel filaments may assume a barrel-shaped morphology or a liquid bridge depending upon the filament diameter and spacing, droplet volume, and contact angle. This paper is aimed to examine the dependency of droplet wetting length upon the above parameters. In the process, morphology of either a barrel-shaped droplet or a liquid bridge sitting on two parallel filaments is determined numerically by using surface finite element method (SFEM). Variation of wetting length with contact angle is examined at varying droplet volume, filament spacing, and droplet morphology. It is found that the droplet wetting length increases with decreasing filament spacing ratio as well as contact angle while it also increases with the growth of droplet volume. The dependency of wetting length upon contact angle behaves sensitive to filament spacing in the case of stable liquid bridges, while it exhibits nearly constant sensitivity to the contact angle in the case of barrel-shaped droplets. The quantitative relations yielded in this study can be considered as characteristic curves applicable for a variety of droplet-on-filament systems, particularly useful to wetting property characterization of filaments, micro liquid delivery, biological cell manipulation, etc.     

MgCu metallic glass

We generate an amorphous MgCu model using the rapid solidification of the melt through a first-principles molecular dynamics approach within a generalised gradient approximation and reveal, for the first time, its structural features and mechanical properties in details. The liquid and glassy MgCu are found to acquire slightly distinct local structures. Yet in both forms of MgCu, most Cu atoms have a tendency to form the ideal and defective icosahedrons while Mg atoms are arranged in complex configurations. The mean coordination number of Cu and Mg at 300 K is 11.31 and 13.73, respectively. The short-range order of MgCu glass is projected to be different than the known crystalline MgCu and Mg₂Cu phases. The mechanical properties of MgCu glass and the CsCl-type MgCu crystal are computed and compared. On the basis of the enthalpy analyses, a possible pressure-induced crystallisation of the MgCu glass into a CsCl-type structure is proposed to occur at around 11 GPa.     

Pd-Si binary bulk metallic glass

Pd_80+x Si_20−x (x = 0, 1, and 2) binary metallic glasses with the diameter ranging from 7 to 8 mm were prepared by a combination of fluxing and water quenching or air cooling. Thermal analysis results show that with increasing Si content, the glass transition temperature T _g, the initial crystallization temperature T _x and the onset crystallization temperature T _p of Pd-Si binary glassy alloys increase. Moreover, the supercooled liquid region reaches 61 K. It indicates that Pd-Si binary alloys possess large glass forming ability, which can be greatly improved by fluxing treatment. Supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2007CB613905) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50671050 and 50431030)     

Liquid to glass transition of tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran

Both tetrahydrofuran(THF) and 2-methyltetrahydrofuran(MTHF) are studied systematically at desired temperatures using molecular dynamics simulations.The results show that the calculated densities are well consistent with experiment.Their glass transition temperatures are obtained:115K ～ 130K for THF and 131K ～ 142K for MTHF.The calculated results from the dipolar orientational time correlation functions indicate that the "long time" behavior is often associated with a glass transition.From the radial and spatial distributions,we also find that the methyl has a direct impact on the structural symmetry of molecules,which leads to the differences of physical properties between THF and MTHF.