孔洞和孪晶界对银纳米线形变行为联合影响的分子动力学模拟

Based on molecular dynamics simulations, the plastic deformation of silver nanowires under uniaxial tension has been studied systematically. In this paper, the mechanical properties of [111]-oriented twin nanowires with different hole sizes have been studied. The existence of holes has no effect on the elastic deformation stage. The hole on the twin boundary has two main roles in the plastic deformation stage. During the initial stages of plastic deformation, the main function of the hole is to produce new dislocations as dislocation sources at small hole sizes.Upon increasing the hole size, the main effect changes to stop dislocation slip. During the late stages of plastic deformation, the two functions of the hole complement each other, upon increasing the hole size, the function of the hole as dislocation sources becomes obvious, leading to weakening of the plasticity of the nanowires.     

不同孪晶界密度银纳米线拉伸形变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了不同孪晶界密度银纳米线的拉伸形变行为,分析了孪晶界密度对多晶银纳米线屈服强度、弹性模量和塑性变形机理的影响.在弹性形变区域,孪晶界的存在对杨氏模量变化的作用不明显.在塑性形变阶段,首先从表面边缘开始产生位错成核,然后延伸并受阻于孪晶界.在进一步拉伸载荷作用下,孪晶界将作为位错源产生新的位错.模拟结果表明,银纳米线的强度与孪晶界和晶粒的尺寸有关.孪晶界密度较小(即晶粒的长径比大于1)时,此纳米线的屈服应力比单晶纳米线还要小,只有当孪晶界密度较大时(即晶粒的长径比小于1),孪晶界使得纳米线得到强化.综合分析了孪晶界和晶粒尺寸对银纳米线的影响,为构建高强度金属纳米线打下基础.最后讨论了温度和拉伸速度对孪晶纳米线屈服应力所产生的影响,随着温度的升高,孪晶纳米线与单晶纳米线的屈服应力差先升高后趋于稳定;当拉伸速度逐渐增大,孪晶纳米线与单晶纳米线的屈服应力差先稳定后增大.     

不同孪晶界密度银纳米线拉伸形变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了不同孪晶界密度银纳米线的拉伸形变行为, 分析了孪晶界密度对多晶银纳米线屈服强度、弹性模量和塑性变形机理的影响. 在弹性形变区域, 孪晶界的存在对杨氏模量变化的作用不明显. 在塑性形变阶段, 首先从表面边缘开始产生位错成核, 然后延伸并受阻于孪晶界. 在进一步拉伸载荷作用下, 孪晶界将作为位错源产生新的位错. 模拟结果表明, 银纳米线的强度与孪晶界和晶粒的尺寸有关. 孪晶界密度较小(即晶粒的长径比大于1)时, 此纳米线的屈服应力比单晶纳米线还要小, 只有当孪晶界密度较大时(即晶粒的长径比小于1), 孪晶界使得纳米线得到强化. 综合分析了孪晶界和晶粒尺寸对银纳米线的影响, 为构建高强度金属纳米线打下基础. 最后讨论了温度和拉伸速度对孪晶纳米线屈服应力所产生的影响, 随着温度的升高, 孪晶纳米线与单晶纳米线的屈服应力差先升高后趋于稳定; 当拉伸速度逐渐增大, 孪晶纳米线与单晶纳米线的屈服应力差先稳定后增大.     

基于分子动力学方法的孪晶银纳米线拉伸形变模拟

采用分子动力学方法研究了具有不同孪晶界密度的< 111>晶向孪晶Ag纳米线在拉伸载荷下的形变行为,讨论了孪晶界对纳米线力学强度的影响,并分别阐明具有不同孪晶界密度Ag纳米线的塑性形变机理.结果表明,与单晶Ag纳米线的强度进行对比可知,基于不同的形变模式,孪晶界的引入对纳米线可以起到弱化作用或者强化作用.以孪晶片层厚度的倒数(1/TBS)作为临界值,当1/TBS小于0.2 nm^-1时,孪晶界作为位错源,表现为对纳米线的弱化作用;当1/TBS大于0.2 nm^-1时,孪晶界阻碍位错运动表现为强化作用.强化作用机理分为两种:当1/TBS介于0.2到0.5 nm^-1时,形变机理以孪晶界和位错相互作用为主,断裂开口均在纳米线内部产生,随着位错增殖形成孔洞,进而向四周蔓延;当1/TBS大于0.5 nm^-1时,孪晶界发生迁移以容纳位错活动,位错不断增殖穿过孪晶界形成剪切带,进而导致纳米线的颈缩.由孪晶界密度不同引起的强化作用和弱化作用均随温度升高而减弱.     

多晶粒银纳米线形变机理对温度依赖性的分子动力学研究

基于大规模分子动力学仿真,本文研究了包含多个晶粒的柱状银纳米线在不同温度下,沿轴向拉伸形变的行为。结果表明,当温度低于200 K时,含较大晶粒的体系中位错滑移是其形变的主要机理,最大应力随温度变化不显著。当环境温度高于200 K时,晶粒的滑动逐渐成为形变的主导因素,这一特征在含更小晶的体系内表现更明显。同时最大应力随温度显著降低。基于上述结果,进一步讨论了温度对Hall-Petch关系的影响。     

多晶粒银纳米线形变机理对温度依赖性的分子动力学研究

基于大规模分子动力学仿真,研究了包含多个晶粒的柱状银纳米线在不同温度下沿轴向拉伸形变的行为。结果表明,当温度低于200 K时,含较大晶粒的体系中位错滑移是其形变的主要机理,最大应力随温度变化不显著。当环境温度高于200 K时,晶粒的滑动逐渐成为形变的主导因素,这一特征在含更小晶粒的体系内表现更明显。同时最大应力随温度显著降低。基于上述结果,进一步讨论了温度对Hall-Petch关系的影响。     

混合溶剂对β-HMX结晶形貌影响的分子动力学模拟（英文）

为了解释混合溶剂对β-HMX结晶形貌的影响,采用分子动力学方法系统地研究了β-HMX晶体表面与混合溶剂(丙酮/γ-丁内酯和二甲基甲酰胺/水)的相互作用,体积比从1:3到3:1。使用修正的附着能模型预测了β-HMX在混合溶剂中的生长习性。结果表明:β-HMX晶体的(020)面与溶剂分子的相互作用最弱,混合溶剂对β-HMX不同晶面的作用变化,可以显著地改变β-HMX的晶体形态。通过比较β-HMX在不同体积比混合溶剂作用下结晶形貌的纵横比,发现混合溶剂为二甲基甲酰胺/水,其体积比为1:3时,有利于β-HMX晶体球形化。     

分子动力学模拟研究外电场对咪唑类离子液体振动谱的影响（英文）

本文利用分子动力学模拟研究了外电场对咪唑类离子液体1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(EMIMPF6)从0到4000cm~(-1)范围内振动谱的影响。研究结果表明,在没有外电场时利用分子动力学模拟计算得到的从400到4000 cm~(-1)的振动带可以重现实验测得的谱。当外电场从0到9 V?nm~(-1)变化时,在50.0和199.8 cm~(-1)处的振动带强度持续增强然后趋于饱和,而从400到4000 cm~(-1)的振动带强度明显减弱并最终消失。此外,在外电场从0变到2 V?nm~(-1)时,50.0 cm~(-1)的振动带红移了16.7 cm~(-1),然后当外电场变化到3 V?nm~(-1)及更大时,该振动带红移增大到33.3 cm~(-1)。在外电场从0变到3 V?nm~(-1)时,3396.6 cm~(-1)的振动带红移大约16.7 cm~(-1),然后当外电场增大到4 V?nm~(-1)甚至更大时,该振动带红移33.3 cm~(-1),但是从0到4000 cm~(-1)的其他振动带的位置几乎没有变化。基于对模拟结果和先前报道文献的进一步分析,对于50.0 cm~(-1)的振动带,增加的外电场增强了阳离子和阴离子之间的极性使阳离子和阴离子间的偶极矩增大,因此该振动带的强度不断增大然后达到饱和。对于199.8 cm~(-1)的振动带增加的外电场增强了乙基链的扭转,使该振动带的强度增大并达到饱和。对于从400到4000 cm~(-1)的其他振动带,增加的外电场使EMIMPF_6中的阳离子和阴离子的取向更一致,并且可以推测这种更一致的取向可能会削弱振动带的强度甚至使它们消失。50.0 cm~(-1)处振动带的红移可能是由于外电场破坏了EMIMPF_6内部的静电场分布进而减弱了阳离子和阴离子间的相互作用。3396.6 cm~(-1)处振动带的红移可归功于外电场减弱了氮原子与阳离子咪唑环上酸性氢原子间形成的氢键的拉伸振动。对于其他的振动带,由于官能团固有的拉伸、弯曲、转动振动不受外电场的影响,外电场没有改变振动带的位置。     

（AgI）n团簇熔化行为的分子动力学模拟

用遗传算法结合经验势搜索了 (AgI)n(n=3-15) 团簇的可能稳定结构,并用微正则分子动力学方法研究了它们的熔化行为.(AgI)n 团簇的稳定结构主要以四叫元环和六元环相接的笼状结构为主.大多数(AgI)n会在一个较大的温度范围内随温度升高结构不断扭曲,原子间距涨落及动能涨落不断增大,直到在某个温度下熔化,结构变得完全无序.(AgI)6 的结构具有很高的对称性,熔化发生在一个较窄的温度范围.对于(AgI)5,会在熔化前较大的温度范围内发生最稳定结构与能量较高的环状异构体之间的转化,并可能出现负热容现象.     

关于副本交换分子动力学模拟复杂化学反应的研究（英文）

本文研究用温度副本交换分子动力学(T-REMD)和哈密顿副本交换分子动力学(H-REMD)方法模拟复杂化学反应的问题。使用具有不同活化能和反应能的简单置换反应模型,我们检验了上述两种方法用来预测反应平衡产物的效率和应用范围。T-REMD方法对具有适度活化能(约20 kcal·mol~(-1))或者反应能量(3 kcal·mol~(-1))的放热反应是有效的。由于在相空间的不完整采样,对于同时具有高活化能和反应能量的反应其模拟效率有严重障碍,并且对于吸热反应问题更为显着。另一方面,H-REMD对一系列具有不同活化能的反应能的模型表现出色,与T-REMD相比,H-REMD可以使用更少的副本获得优异的结果。     

CL-20热分解反应机理的ReaxF F分子动力学模拟（英文）

为探究固相CL-20热分解反应机理,本文采用反应分子动力学ReaxFF MD模拟研究了含有128个CL-20分子的超胞模型在800–3000 K温度下的热分解过程。借助作者所在课题组研发的反应分析及可视化工具VARxM D得到了热分解过程中多种反应中间物和较为全面的反应路径。氮氧化物是CL-20初始分解的主要中间产物,其中NO_2是数量最多的初始分解产物,观察到的中间物NO_3的生成量仅次于NO_2。统计CL-20初始分解的所有反应后发现,在所有考察温度下CL-20初始分解路径主要是N―NO_2断裂反应和C―N键断裂引起开环的单分子反应路径。N―NO_2断裂反应数量在高温下显著增多,而C―N键断裂引起的开环反应数量随温度升高变化不大。在低温热分解模拟中还观察到CL-20初始分解阶段生成的NO_2会发生双分子反应—从CL-20分子中夺氧生成NO_3。对CL-20热分解过程中环结构演化进行分析后发现,CL-20分解的早期反应中间物主要为具有3元或2元稠环结构的吡嗪衍生物,随后它们会分解形成单环吡嗪。吡嗪六元环结构在热分解过程中非常稳定,这一模拟结果支持Py-GC/MS实验中提出吡嗪存在的结论。CL-20中的咪唑五元环结构相对不稳定,在热分解过程中会发生开环分解而较早消失。由ReaxFF MD模拟得到的3000 K高温热分解产物N_2,H_2O,CO_2和H_2的数量与爆轰实验的测量结果定量吻合。本文获得的对CL-20热分解机理的认识表明ReaxFF MD结合VARxM D有可能为深入了解热刺激下含能材料复杂化学过程提供一种有前景的方法。     

飞秒激光烧蚀含能材料的分子动力学模拟（英文）

为了得到飞秒激光侵蚀(FLA)1,3二硝基甲苯(简称DNB,分子式:C6H4N2O4),六硝基六氮杂异伍兹烷(简称CL20,分子式:C_6H_6N_(12)O_(12))和CL20/DNB共晶系统的物理和化学响应过程,本文采用Reax FF/lg反应力场对其过程进行模拟。计算结果表明,CL20/DNB系统的温度和压力在飞秒激光加载过程中出现阶跃,激光加载过程后系统有一个冷却过程,然后系统的温度和压力逐渐升高达到最大值并维持平衡。研究发现,在此过程中CL20和CL20/DNB系统触发反应均为CL20分子中的N―NO2断裂。CL20系统的分解速率大于CL20/DNB共晶系统,这可能是因为共晶系统在反应初期具有大量的DNB分子以及分解产物中含有比较稳定的苯环减少了CL20及其产物之间的有效碰撞。     

分子动力学模拟技术在生物分子研究中的进展（英文）

在当今科学探索中,分子动力学模拟作为实验的辅助,替代甚至引导,有越来越大的重要性。在这篇综述里,我们概括介绍了分子模拟领域的发展历史,特别是专注于近期的进展,包括新的分子力场,增强采样技术以及在研究生物分子体系方面的最新成果。     

参杂缺陷石墨烯的高分子复合材料导热特性分子动力学模拟（英文）

传统高分子材料由于内部分子链无规则缠绕的特点,导致其热导率较小。近年来,拥有高导热特性的新型高分子材料在众多领域都显示出了极大的发展潜力。随着研究的不断深入,具有优秀导热能力的石墨烯等低维碳材料引起越来越多人的关注。引入石墨烯制作的高分子复合材料具有较高的导热性能,在热管理方面具有很大的应用前景。本文使用非平衡态分子动力学方法计算了石墨烯点缺陷对石墨烯-高分子复合材料界面热导和整体热导率的影响。石墨烯层的界面热导受点缺陷密度的影响较大。当石墨烯缺陷密度由0%增大到20%时,其界面热导由75.6 MW·m~(-2)·K~(-1)增加为85.9 MW·m~(-2)·K~(-1)。石墨烯点缺陷造成sp~2共价键断裂、结构刚性下降,导致其振动态密度的低频分量增加,增强了与高分子基质间的低频能量耦合,进而提高了界面热导。而点缺陷密度的增大对复合材料整体热导率也具有相似的提升效果(从40.8 MW·m~(-2)·K~(-1)增加为45.6 MW·m~(-2)·K~(-1))。此外,高分子基体在石墨烯界面处会造成局部密度提高,但石墨烯点缺陷对高分子材料局部密度提升并无显著影响。这些计算结果加深了对石墨烯与高分子基体间导热机理的理解,并有助于开发和设计具有优异热学性能的高分子复合材料。     

分子动力学模拟纳米晶体银的结构和性能

通过分子动力学方法,采用以局域密度（LDA）近似和二阶动量矩（SMA）近似为基础的多体势函数,模拟了纳米面心立方晶体银的结构,对模拟的结果进了不同尺寸的纳米晶体的能量分布,弹性常数,表面能及熔点等计算,并与相应的实验结果进行了比较,结果表明采用此多体势函数模拟纳米晶体的结构和性能,比用其它势函数更精确,与实验结果更吻合。     

单晶铜纳米线的形变行为对温度和速率的依赖关系

本文采用分子动力学模拟的方法,分别考察了应变速率为0.02%·ps-1,0.2%·ps-1和2%·ps-1,温度为100,300和600 K下的[100]单晶铜纳米线的单轴拉伸形变行为。通过纳米线在形变过程中的原子排布,机械性质,径向分布函数和能量曲线分析,可得出纳米线的低速,中速,快速拉伸形变分别对应于原子的平衡态,准平衡态和非平衡态运动;纳米线的低温,常温,高温拉伸形变分别对应于原子的结晶态,局域无序和非晶态的运动。     

金属纳米线中凸凹微结构对初始形变的影响

构建了具有代表性的系列凸纳米线和凹纳米线,利用分子动力学模拟研究了2种微结构对拉伸形变的影响.结果表明,微凸纳米线与单晶纳米线表现出类似的行为,其能量和应力应变曲线等均无显著差异.改变不同的凸起高度未发现显著差别.沿z轴的应力分布分析表明凸微结构使局域应力降低,不能诱导产生初始位错滑移;微凹纳米线表现更明显的塑性形变特征,小应变时能量上升的幅度低于单晶和凸纳米线,但大应变条件下能量上升更高,微凹纳米线的第一屈服点早于单晶和凸纳米线,且其屈服应力不是最大应力,沿z轴的应力分布表明凹陷处产生增加的局域应力,凹陷附近可以诱导产生初始位错滑移.原子排布位图从微观上进一步阐述了上述形变特征.     

外电场作用下离子液体振动光谱变化的分子动力学模拟研究（英文）

振动光谱学是研究液体分子微观结构的强有力工具,利用振动光谱学探究外界条件作用下液体结构性质的变化是可行的。本文利用分子动力学模拟方法研究了从0到10 V·nm~(-1)变化的外加电场对1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体的振动光谱的影响,并且详细分析了位于50,183,3196,3396 cm~(-1)的振动峰的强度及位置随外加电场变化而变化的内在原因。随着外加电场从0增大到10 V·nm~(-1),由于模拟体系中平均每对阴阳离子的总偶极矩增大(从4.34到5.46 Debye)和阳离子的取向更加一致,使得位于50、183 cm~(-1)的振动峰的强度相应地逐渐增强。位于3196 cm~(-1)的振动峰的强度明显减弱,因为外加电场的作用使甲基和乙基侧链上碳原子周围的氢原子不断增多,从而使烷基链上碳氢键的伸缩振动受限。外加电场作用下分子间~+C-H…F~-氢键的减少使位于3396 cm~(-1)的振动峰的强度逐渐减弱。而位于50和3396 cm~(-1)的振动峰的红移现象分别归因于每对离子平均相互作用能的减小(从-378.7到-298.0 kJ·mol~(-1))和有利于氢键结合的弛豫效应。     

腺苷酸激酶催化循环后期Mg~(2+)转移的分子动力学模拟（英文）

腺苷酸激酶是一个包含三个结构域(LID结构域、NMP结构域和CORE结构域)的蛋白质分子,其主要作用是催化化学反应Mg~(2+)+ATP+AMP(?)2ADP+Mg~(2+)进而将细胞内ATP分子的浓度维持在合适的范围内。在腺苷酸激酶催化上述化学反应的过程中,需要有Mg~(2+)的参与。最近的实验发现Mg~(2+)不仅参与上述反应的化学步骤,而且对化学反应发生后底物的释放过程至关重要。己有晶体结构数据显示,在催化循环过程的化学反应步骤完成后,一个Mg~(2+)可同时和分别位于LID结构域及NMP结构域的两个ADP分子配位。然而,在底物的释放与分离过程中,Mg~(2+)可能只与其中一个ADP分子结合。由于Mg~(2+)与ADP分子的结合情况会在很大程度上影响作为催化循环限速步骤的底物释放过程,因此人们有必要研究清楚在底物释放前Mg~(2+)与催化产物ADP分子的配位情况,即Mg~(2+)更倾向于与LID结构域的ADP分子结合还是与NMP结构域的ADP分子结合。本文中,我们对催化反应后底物释放前的酶-底物复合物(包含酶、两个ADP分子以及Mg~(2+))做了分子动力学模拟研究。我们基于metadynamics方法得到了Mg~(2+)在两个ADP分子间转移的自由能面,发现在底物分离与释放过程中,Mg~(2+)更倾向于与LID结构域的ADP分子结合。只有当LID结构域的ADP分子被质子化,同时NMP结构域的ADP分子处于去质子化状态时,Mg~(2+)才会倾向于与NMP结构域的ADP分子结合。另外,我们也刻画了Mg~(2+)转移过程中配体交换与脱水过程。本工作的研究结果有助于理解腺苷酸激酶催化循环后期的分子过程。     

分子动力学模拟电解质对阴非离子表面活性剂界面行为的影响

通过分子动力学(MD)方法研究了不同类型电解质对阴非离子表面活性剂C₁₂EO₃C油水界面性能的影响。运用z轴质量密度分布、径向分布函数、分子间相互作用配位数、空间分布函数及均方根位移五种模拟参数来分析电解质与阴非离子表面活性剂的相互作用情况。研究表明,三种离子的加入均对水分子与表面活性剂亲水基形成的水化层结构产生影响,且从微观层面验证三种离子对表面活性剂亲水基相互作用强度大小顺序为Na⁺ < Ca²⁺ < Mg²⁺。通过扩散模拟结果可以较好地解释离子加入对界面张力平衡时间的影响情况。这对指导实验方向、制订最佳复配方案具有重要意义。