一个说明分子间作用力的模拟用具

分子运动论是用来解释宏观热现象的基本微观理论。其中,分子间作用力的规律是分子运动论的重要内容。由于分子微小,不能直接观察到,学生对分子作用力与距离的关系往往感到抽象难懂。为了帮助学生理解,笔者设计制作了一个说明分子间相互作用力的模拟演具。实践表明,利用它可以较准确地模拟分子间的作用力与距离的关系。并且取材容易、制作简单、操作方便、效果明显。在突破分子作用力这一教学难点时起了关键性的作用。现介绍如下: 一、制作要点1、螺线管AB和CD:用马粪纸按图1     

Hamaker微观连续介质理论的数字密度和Hamaker常数分析

针对Hamaker微观连续介质理论在微观接触力计算中存在的问题,根据Hamaker假设,用连续介质法计算2个原子之间的相互作用力,发现作用力同经典的Lennard-Jones势所反映的作用力不一致.通过分析数字密度,发现数字密度并非是如Hamaker所认为的常数,而是随间距变化的;并得到Hamaker微观连续介质理论仅在间距大于7倍的原子半径时才成立的结论.通过分析Hamaker常数,发现Hamaker常数也随间距变化.     

分子间存在引力实验的改进

“分子引力”实验是初中物理“分子运动论”教学中的一个重要的验证性演示实验.传统的演示实验存在着实验现象不明显,成功率不高,不便于学生观察等缺陷.利用甘油能增加液体膜韧性的特点,利用液体膜拉动吸管运动可以让学生很直观地观察到分子间的引力,降低学生对于微观现象的理解难度.     

建立分子简化模型用经典电磁理论探析分子间作用力

把孤立分子简化成单原子球状模型的非极性分子,并将核外电子绕核运动的复杂电子云简化成相对稳定的圆形轨道。根据经典电磁理论中的库仑定律和安培定律并结合极化现象对分子间相互作用力的变化规律进行探究分析,给出分子力的具体表达式,并通过实例数据的计算结果模拟出分子力曲线。最后,给出研究结论并进行几点讨论。     

Hamaker均质材料假设修正

Hamaker三个假设条件是用连续方法解离散问题的理论基础.根据Hamaker三个假设条件，利用连续方法计算两个原子之间的相互作用力，发现作用力同经典的Lennard-Jones势所反映的作用力不一致.通过分析得出Hamaker均质材料假设条件仅适用于微观物质间距较大的范围以及数字密度随间距变化的结论；推导出数字密度随间距变化的表达式，修正了Hamaker提出的用连续方法计算微观物质间相互作用力的表达式.最后对Hamaker常数进行分析，得出Hamaker常数本身就是随物质间距变化的结论，从而对目前存在的 关键词： Hamaker假设 数字密度 Hamaker常数 Lennard-Jones势     

速度对聚四氟乙烯摩擦系数影响的分子动力学模拟

基于分子动力学方法建立了双层聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)摩擦模型,研究了不同速度下PTFE的摩擦过程.通过分析不同速度下接触区内下层PTFE分子键长、键角、分子形状的变化及接触过程中摩擦力和正压力的变化,从微观角度研究了速度对PTFE摩擦系数的影响.研究结果表明:随着速度的增加,接触区内PTFE粒子间的键长变短,键角变小,分子链沿x;方向的变形量增加.变形后的PTFE分子产生的回弹力导致上、下层PTFE分子间相互作用力增加,从而增加了摩擦力.当速度进一步增大时,接触区内下层PTFE粒子间的键长和键角多处于平衡位置,分子链沿x方向的变形量减小.这很可能是由于接触区内下层PTFE分子沿速度方向倾斜,使上、下层PTFE分子趋于平行滑动,从而降低了摩擦力.不同速度下正压力几乎保持不变.因此,当上层PTFE所受外载荷固定时,摩擦系数随着速度的增加先增大后减小,临界速度为1.2 m/s,这与实验研究结果一致.     

单分子器件的拉伸与断裂过程第一性原理研究:末端基团效应

基于密度泛函理论,研究了含S以及含N末端基团的分子结的拉伸与断裂过程.计算结果显示,对于尖端为锥形的金电极,当末端基团为—S时,拉断分子结的作用力大小为0.,59 nN,大于H原子未解离的—SH从金电极上断裂所需的0.25 nN作用力,但明显小于—S末端从平面金电极上断裂下来的约1.5 nN的作用力.当末端基团是—NH_2或—NO_2时,分子结断裂所需拉力分别为0.45和0.33 nN.体系轨道分布表明,分子与电极通过前线占据轨道耦合后形成的扩展体系分子轨道离域性越好,拉断分子结所需的作用力越大.自然键轨道(natural bond orbital,NBO)分析显示,若分子末端与电极间未形成成键轨道,末端原子上更多的NBO净电荷可以提高分子与电极间结合的稳定性.结合我们以前的研究,可以发现,—S末端和—NH_2末端对金电极界面的微观构型具有明显的识别功能,这为精确操控并理解分子与金电极间的相互作用及界面结构提供了有用信息.     

荧光光谱法及物理模建分析小檗淫羊藿甙与清蛋白的分子间作用

光谱分析法结合物理模建研究小檗淫羊藿甙（ICA）与清蛋白（HSA）的分子间作用,采用多种理论方程描述ICA与HSA分子间作用,并比较分析ICA与HSA分子间作用适用模型。运用荧光光谱法研究ICA与HSA的分子间作用。结果表明,ICA与HSA分子间作用具有荧光特征谱,ICA与HSA的分子间作用力使得HSA的荧光强度呈现规律性变迁,说明ICA与HSA确实发生了分子间作用。同步荧光光谱结果表明ICA与HSA的分子间作用使得HSA的微区构象发生改变。利用Lineweaver-Burk方程、双对数回归方程、Scatchard系列方程、Stern-Volmer方程、Lehrer-Fasman方程和Tachiya模型分别描述ICA与HSA的分子间作用,发现不同理论模型描述分子间作用可分为两类定量结果,通过物理模建技术辅助确定ICA与HSA分子间作用模式,得到双对数线性回归方程更符合ICA与HSA分子间作用模型,同时辅助解析ICA与HSA的分子间作用,物理模建结果表明ICA与HSA的分子间作用发生在HSA活性位域Sudlow’s sites Ⅰ,且主要是通过范德华力、疏水作用力和氢键发生分子间作用。该研究所得结果可为全面分析ICA与HSA分子间作用机理提供借鉴,也为小分子与生物大分子的分子间作用的理论描述研究提供有益参考。     

纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

本文从分子水平对纳米氮液滴蒸发的微观过程进行了分子动力学研究,其中液氮分子间采用球形截断的LJ势能函数.从微观模拟信息中获取了相应的宏观性质,示出了液滴在蒸发过程中的分子位形的变、密度分布、双体分布函数和压力分布,探究了纳米液滴在蒸发过程中界面现象的物理机理.     

碳纳米管包裹的硅纳米线复合结构的热稳定性研究

采用经典分子动力学方法模拟一定直径[111]晶向的硅纳米线填充不同扶手椅型单壁碳纳米管复合结构的加热过程, 通过可视化和能量分析的方法判断复合结构中硅纳米线和碳纳米管的热稳定性. 通过讨论碳纳米管的空间限制作用和分子间相互作用力的关系, 对碳纳米管和硅纳米线的热稳定性变化进行初步解释. 研究发现碳纳米管中硅纳米线的热稳定性和碳纳米管的直径关系密切: 当管径较小时, 硅纳米线的热稳定性有所提高, 当管径增大到一定大小时, 硅纳米线的热稳定性会突然显著地下降, 直到硅纳米线与管壁不存在分子间相互作用力, 硅纳米线的热稳定性才会恢复. 而硅纳米线填充到碳纳米管中对碳纳米管的热稳定性有着明显的降低作用.