氧化石墨烯褶皱行为与结构的分子模拟研究

应用反应力场分子动力学方法,模拟了单层氧化石墨烯在径向压缩作用下的褶皱过程,研究了含氧基团(羟基、环氧基)对氧化石墨烯褶皱行为以及褶皱球结构稳定性的影响.当石墨烯仅含羟基时,该类氧化石墨烯呈现出"推进式"的褶皱行为,而当石墨烯仅含环氧基时,该类氧化石墨烯则呈现出片层与片层"贴合式"的褶皱行为.褶皱行为的不同决定了氧化石墨烯最终褶皱球结构的差异.通过分析原子级势能增量分布与C—C成、断键位置之间的关系,发现氧化石墨烯上C—C成、断键主要发生在变形较为严重的区域,且相较于羟基,环氧基对与其连接的C—C键具有更强的削弱作用.为了研究氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性,模拟了其在无约束条件下的释放过程.发现氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性取决于其中C—C成、断键数量,即C—C成、断键的数量越多,结构越稳定,且在同一氧化率下,褶皱球的结构稳定性随环氧基比例的增大而提高.本研究表明,通过改变氧化石墨烯片层上含氧基团的相对比例,可实现对其褶皱球稳定性的控制.     

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟.通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小.在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应.对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.     

双酚A在氧化石墨烯表面吸附的分子动力学模拟

双酚A(bisphenol A,BPA)是一种内分泌干扰物,会对机体多方面产生不良影响,包括生殖系统、神经系统、胚胎发育等.因此,在水环境中如何检测和去除BPA显得尤为重要.实验研究表明,氧化石墨烯(graphene oxide,GO)对BPA具有优异的吸附去除性能,但在分子层面的吸附机制尚不清楚.分子动力学模拟,能提供BPA在GO表面的动态吸附过程以及吸附构象等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用GROMACS分子动力学模拟软件,系统模拟了BPA在含GO的水溶液中的吸附过程,并计算了吸附自由能.结果显示:所有的BPA均被吸附在GO两侧,通过分析BPA的吸附构象以及与GO的相互作用,发现π-π疏水作用对吸附起主导作用,且显示出很好的稳定性,而静电和氢键作用增加了GO的吸附能力.通过自由能计算,BPA在GO表面的结合能达30 k J/mol,远大于水分子的5 k J/mol.这些结果进一步证实GO对BPA具有很强的吸附能力以及GO作为吸附剂在水溶液中去除BPA的可行性.     

石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟

石墨烯因其独特的分子构型、卓越的物理化学性能而受到广泛关注.本文首先利用分子动力学模拟比较了单层石墨烯、铜、二氧化硅三者表面的浸润性,除了接触角的比较,还分析了基底表面的水分子排布,得到石墨烯表面的特征水分子排布为:表面有两层密集的水分子层,其中靠近基底的密集水分子层中O—H键与垂直基底方向夹角集中在90°附近,并且基底表面的氢键几乎都垂直于基底.另一方面,本文研究了石墨烯浸润透明特性,发现在铜和二氧化硅上添加一层石墨烯,对铜的浸润性影响较小,对二氧化硅的浸润性影响很大,不仅使其上接触角显著增大,还使得基底表面的水分子排布呈现出类似单层石墨烯上的规律.本文使用分子动力学模拟方法从微观尺度验证了文献的实验结果,从基底表面水分子排布角度分析了石墨烯独特的浸润透明特性,为进一步开发石墨烯在微结构设计上的应用提供了理论指导.     

多层石墨烯的表面起伏的分子动力学模拟

运用经典分子动力学方法,研究了呈现不同堆积方式的多层石墨烯在不同温度下的表面起伏,并且和单层、双层石墨烯做对比,计算发现:室温下,多层石墨烯中存在着横向特征尺寸约为100 A的起伏,该尺寸会随着温度的升高而增大;同时,起伏的高度也随着温度的升高而增大,这些石墨烯的层内起伏高度关联函数都遵从幂指数标度行为G_h(q)αq~(-α),对于同一种石墨烯,温度越高幂指数越小;而在同一温度下,不同堆积方式的石墨烯的幂指数也不同,所有这些特征都来源于温度以及层间耦合作用引起的非谐效应。     

氮掺杂对石墨烯摩擦学特性影响的分子动力学模拟

掺氮石墨烯具有良好的应用前景,但对其摩擦学特性的研究仍较为缺乏.本文采用分子动力学方法研究了氮掺杂对石墨烯摩擦学特性的影响.结果表明在公度、非公度的界面结构下,氮掺杂对石墨烯摩擦特性的影响呈现相反的趋势.界面结构为公度状态时,氮原子的引入导致了局部非公度状态,因而界面势垒降低、摩擦减小.界面公度性的改变、层间氮原子和碳原子的范德瓦耳斯力作用对界面摩擦的影响相反,在二者的共同作用下,随氮掺杂比例的升高,掺氮石墨烯体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势.界面结构为非公度状态时,氮原子的引入对界面摩擦的影响主要体现在原子类型的变化,界面摩擦随氮掺杂比例的增大而增大.存在空位缺陷的石墨烯体系的摩擦最大,掺杂氮原子对于降低缺陷石墨烯体系的摩擦具有积极意义.     

势能模型对石墨烯导热性质分子动力学模拟的影响

针对常用的Tersoff势、Rebo势和Airebo势,系统性地分析势能模型对分子动力学模拟计算石墨烯色散关系、声子态密度、群速度和热导率的影响. 结果表明：Rebo势和Airebo势描述的声子色散关系接近实验值,Airebo势对应的声子态密度与第一性原理计算的结果较为符合,Rebo势和Airebo势计算的Γ点处声子群速度高于Tersoff势. 采用Airebo势得到石墨烯热导率约为1 150 W·（m·K）^-1,与实验值相近. 综合各种影响,相比于Tersoff势和Rebo势,Airebo势能模型更适合计算石墨烯的导热性质.     

液态镓在石墨烯表面的润湿性及形貌特征

液态Ga及其合金的熔点低、毒副作用小、导电率高,使得这类液态金属能像石墨烯一样被广泛应用于微流器件、柔性电子器件中,制备这些器件的关键在于有效控制各生产环节中液态金属在固体界面上的润湿性及形貌特征.基于Lennard-Jones(L-J)势函数,利用分子动力学模拟方法研究了金属Ga在石墨烯表面的润湿性,根据模拟结果拟合的L-J势参数能正确描述Ga原子与衬底之间的相互作用并得到了与实验值极为接近的润湿角,发现衬底与液膜间相互作用的微小改变都会对最终润湿形态产生极大影响,平衡态的润湿角和脱离衬底速度随着Ga-C间势能的减小而增大,并成功获得了不同厚度的Ga液膜在石墨烯表面的形态演变规律,极为符合液态Ga的基本特性.利用所得L-J势函数参数模拟了液态Ga在粗糙度相同但纳米柱尖端形貌不同的C材料表面的润湿演变,发现纳米柱尖端形貌对液态Ga的润湿过程及状态影响极大.     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

石墨烯弛豫性能的分子动力学模拟

分别采用REBO势和AIREBO势对单层和多层石墨烯的弛豫性能进行了分子动力学模拟,模拟了石墨烯在弛豫过程中的动态平衡演化过程.模拟结果表明,理想的自由状态下,单层石墨烯薄膜并非完美的平面结构,表面不完全平整,在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱,而在薄膜内部褶皱并不明显,多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯的稍小.     

Molecular dynamics study of temperature-dependent ripples in monolayer and bilayer graphene on 6H—SiC surfaces

Using classical molecular dynamics and a simulated annealing technique,we show that microscopic corrugations occur in monolayer and bilayer graphene on 6H-SiC substrates.From an analysis of the atomic configurations,two types of microscopic corrugations are identified,namely periodic ripples at room temperature and random ripples at high temperature.Two different kinds of ripple morphologies,each with a periodic structure,occur in the monolayer graphene due to the existence of a coincidence lattice between graphene and the SiC terminated surface(Si-or C-terminated surface).The effect of temperature on microscopic ripple morphology is shown through analysing the roughness of the graphene.A temperature-dependent multiple bonding conjugation is also shown by the broad distribution of the carbon-carbon bond length and the bond angle in the rippled graphene on the SiC surface.These results provide atomic-level information about the rippled graphene layers on the two polar faces of the 6H-SiC substrate,which is useful not only for a better understanding of the stability and structural properties of graphene,but also for the study of the electronic properties of graphene-based devices.     

基于graphene条带的硅纳米结构

采用分子动力学模拟方法研究了graphene条带上生长硅纳米结构的过程,分析了不同温度下硅原子在graphene条带边沿生成的新型纳米结构.研究表明,随机分布的硅原子吸附到锯齿型graphene条带边沿在不同的温度T下可生成不同类型的硅纳米结构：300K≤T<2000K时形成无规则的团簇,2000K≤T≤2800K时形成单原子链结构,2800K<T<3900K时形成含缺陷的硅链结构,T≥3900K时硅原子逐渐替代条带边沿的碳原子直至graphene条带破坏.而硅原子吸附到扶手椅型graphene条带边沿在300K≤T<3000 K内仅能形成非链状的不定型的硅纳米结构. 关键词： graphene 硅 纳米结构 分子动力学模拟     

Adsorption dynamics of double-stranded DNA on a graphene oxide surface with both large unoxidized and oxidized regions

The adsorption dynamics of double-stranded DNA (dsDNA) molecules on a graphene oxide (GO) surface are important for applications of DNA/GO functional structures in biosensors, biomedicine and materials science. In this work, molecular dynamics simulations were used to examine the adsorption of different length dsDNA molecules (from 4 bp to 24 bp) on the GO surface. The dsDNA molecules could be adsorbed on the GO surface through the terminal bases and stand on the GO surface. For short dsDNA (4 bp) molecules, the double-helix structure was partially or totally broken and the adsorption dynamics was affected by the structural fluctuation of short dsDNA and the distribution of the oxidized groups on the GO surface. For long dsDNA molecules (from 8 bp to 24 bp) adsorption is stable. By nonlinear fitting of the contact angle between the axis of the dsDNA molecule and the GO surface, we found that a dsDNA molecule adsorbed on a GO surface has the chance of orienting parallel to the GO surface if the length of the dsDNA molecule is longer than 54 bp. We attributed this behavior to the flexibility of dsDNA molecules. With increasing length, the flexibility of dsDNA molecules also increases, and this increasing flexibility gives an adsorbed dsDNA molecule more chance of reaching the GO surface with the free terminal. This work provides a whole picture of adsorption of dsDNA molecules on the GO surface and should be of benefit for the design of DNA/GO based biosensors.     

氧化石墨烯与淀粉样短肽相互作用的理论研究

利用副本交换分子动力学方法,对比研究了淀粉样短肽Aβ_(16-22)在加入石墨烯以及氧化石墨烯前后的聚集状况.我们发现相比石墨烯,氧化石墨烯能够明显地抑制淀粉样短肽Aβ_(16-22)的聚集.其原因是氧化石墨烯与Aβ_(16-22)片段中氨基酸的疏水相互作用以及氧化石墨烯表面的极性基团与Aβ_(16-22)形成的氢键大大地弱化了Aβ_(16-22)氨基酸链间的相互作用,最终抑制了Aβ_(16-22)的纤维化.我们的研究将为基于碳纳米颗粒治疗淀粉样变性病的药物设计与开发提供新思路.     

异质原子在Cu（001）表面扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟单个增原子Ag,Pd和Cu在Cu（001）表面上的扩散过程.通过对自扩散和异质扩散过程中扩散机制的观察,统计三种不同的增原子在不同温度下的扩散频率,拟合给出扩散势垒和扩散频率的指前因子,并与扩散势垒的静力学计算结果进行比较.结果表明：在800 K以下时,三种增原子均以简单跳跃机制为主扩散,与衬底不互溶的Ag增原子的跳跃频率最大,与衬底互溶的Pd增原子的跳跃频率最小.同质增原子与异质增原子的扩散频率和温度的关系均较好地符合Arrhenius公式,由Arrhenius公式拟合给出的三种不同增原子的扩散势垒与表面结构和增原子表面结合能有关.Pd和Cu增原子从跳跃机制为主向交换机制为主的转换温度分别在825和937 K左右. 关键词： 表面扩散 分子动力学模拟     

Molecular dynamics simulation of gas adsorption on defected graphene

Gas sensing is one of the most promising applications for graphene. Using molecular dynamics simulation method, adsorption isotherm of xenon (Xe) gas on defected and perfect graphene is studied in order to investigate sensing properties of graphene for Xe gas. In this method, first generation of Brenner many-body potential is used to simulate the interaction of carbon–carbon (C) atoms in graphene, and Lennard–Jones two-body potential is used to simulate interaction of Xe–Xe and Xe–C atoms. In the simulated systems, adsorption coverage, radial distribution function, heat of adsorption, binding energy and specific heat capacity at constant volume are calculated for several temperatures between 90 K and 130 K, and various pressures. It was found that both of the defected and perfect graphene could be introduced as very good candidates for adsorption of Xe gas.     

应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究

从动势能转换与守恒原理出发,在微正则(NVE)系综下,采用COMPASS力场对石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性进行了分子动力学模拟.研究发现,非线性响应主导了石墨烯纳米带的动态行为,而其超高的基波频率则与长度和边界条件密切相关;单轴拉伸应变对石墨烯纳米带基波频率的影响显著且强烈依赖于边界条件,四边固支型应变石墨烯纳米带具有更高的频移,其灵敏度可高达7800 Hz/nanostrain,远大于相同长度碳纳米管应变传感器的灵敏度;石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性均与手性无关.本文所得结果表明,由于超低 关键词： 石墨烯纳米带 分子动力学 应变 基波频率