二十面体准晶对非晶形成影响的模拟

采用分子动力学模拟技术,以液态金属Ni为例,研究了在不同冷却条件下形成晶体及非晶的过程.模拟采用镶嵌原子法(EAM)作用势,得到了不同温度、不同冷却速度下Ni的径向分布函数以及原子组态变化的重要信息,利用键对分析技术探讨了二十面体准晶对非晶形成的影响.     

软粒子力学性能的模拟研究

运用弹性膜理论结合三角网格动力学模型模拟研究了平行板压缩软粒子的过程, 仔细考察了压缩过程中软粒子的形状变化、应力响应、力学松弛和粘弹行为. 模拟结果与已有的实验基本一致.     

软三嵌段两面神胶体粒子自组装行为的模拟研究

采用软补丁粒子模型及相应的介观动力学模拟方法, 研究了软三嵌段两面神胶体粒子在稀溶液条件下的自组装行为. 通过合理调节补丁大小和补丁之间的吸引强度, 软三嵌段两面神胶体粒子能够自组装形成非常丰富的聚集结构, 包括线状结构、 六方柱状结构、 体心四方束状结构以及三维网络状结构. 此外, 分析了与纤维结构类似的体心四方束状结构形成的动力学机理. 模拟结果为实验上设计并制备新颖的超胶体纳米结构提供一定的理论支持.     

聚苯乙烯胶晶的组装

采用自然沉降法、离心法和垂直沉积法组装了聚苯乙烯胶晶。实验结果表明,所得胶晶都具有面心立方结构,结构有序性相当高。自然沉降法和离心法适用于块体胶晶的组装,自然沉降法适用于胶晶膜的组装。     

扩散模型和凝聚模型耦合作用下胶体凝聚动力学的Monte Carlo模拟研究

以扩散模型(Ds(γ)=D0×sγ)和凝聚模型(Pij(σ)=P0×(i×j)σ)为基础,对胶体体系随时间的演变、团簇大小分布及其标度关系、团簇的重均大小S(t)的变化规律以及模型对最终分形维数的影响四个角度进行了比较研究,发现扩散指数γ0和凝聚概率指数σ0对胶体的凝聚动力学过程有相似的影响.本文在较宽的γ和σ取值范围内,对胶体的凝聚动力学进行了模拟研究,对慢速凝聚向快速凝聚的转化机理作了定量分析,并进一步分析了在团簇-团簇凝聚(CCA)模型下,得到类似扩散置限凝聚(DLA)模型的凝聚体的物理意义,结果表明:(1)γ0代表了体系中团簇或单粒做"定向运动"而非无规则的布朗运动的情况.这种"定向运动"的推动力可能来自于大团簇产生的强"长程范德华力"、"电场力"等,或来自于体系边界处的外力场的作用.(2)当σ0时,体系成为先快后慢的慢速凝聚,这可能对应大团簇为一排斥中心,即胶体颗粒存在"排斥力场"的现象.(3)证实了团簇的重均大小在凝聚过程的早期按指数规律增长,而后期按幂函数规律增长的实验现象.模拟研究还表明,胶体体系的凝聚动力学过程,在σ0时是一个存在正反馈机制的非线性动力学过程,而在σ0时则体现出负反馈的特征.     

高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、 动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、 回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.     

拉伸过程中晶向对银单原子线形成几率影响的分子动力学模拟

采用基于原子镶嵌势函数的分子动力学方法, 模拟了银纳米线沿[100]、[110]和[111]晶向拉伸过程中的空间原子结构和性能. 研究结果表明不同晶向的材料力学性质有显著不同, 屈服应力按照[111]、[110]和[100]依次降低. 从形变位图观察到纳米线在断裂前形成单原子线排列. 由900个分子动力学模拟样本统计得出沿三个晶向形成单原子线的几率, 其中沿[111]晶向形成单原子线的几率明显高于其他两个晶向. 本文从形变机理阐述了单原子线生成几率与晶向的依赖关系.     

Lennard-Jones流体气液相图的粒子交换分子动力学模拟研究

利用粒子交换分子动力学模拟方法(Particle exchange molecular dynamics,PEMD)研究了Lennard-Jones流体的气液相图．模拟中,用两个耦合箱分别代表液相和气相．通过直接比较两箱的粒子化学势来控制交换粒子,从而达到两相平衡．采用Widom方法计算化学势．两模拟箱平衡时具有相同的温度、压强和粒子化学势．模拟的气液相图结果与利用其它方法得到的Lennard-Jones流体气液相图符合得很好．     

溶液中柔性树枝状高分子的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了柔性树枝状高分子在无热溶剂中的静态和动态行为. 模拟结果表明: 在分子尺寸和回转半径Rg满足标度律Rg~N1/5(G+1)2/5P2/5(其中N为树枝状分子的聚合度, G为代数, P为链节长度, g为子代代数)时; 随着代数的增加, 树枝状分子和硬球的静态结构因子相似, 表明其内部结构发生了由“类星形”向“近球形”转化. 随着树枝状分子代数和链节长度的增加, 出现了“单元”(Monomer)密度几乎不变的区域. 树枝状分子的回折能力随着链节长度的增加而增强, 随着代数的增加而减弱. 树枝状分子各子代的运动能力不同, 与内层子代相比, 外层子代在短时间内扩散较慢, 但其松弛较快. 相对于Rouse指数, 树枝状分子“单元”运动的标度更接近Zimm指数.     

重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟

重质油是以沥青质为胶核分散于饱和油分中形成的极其复杂的胶体体系.本文采用耗散粒子动力学(DPD)方法研究重质油的胶体结构及其影响因素.根据重质油各组分的分子结构特征,构建了描述重质油组分的粗粒化模型化合物.模拟结果表明,本文构建的粗粒化模型能很好地反映重质油的胶体聚集结构.沥青质分子结构对胶体聚集结构有序性有显著影响,较高稠合程度的芳香环结构将使胶束结构有较高的有序性,烷基侧链则表现出分散作用.重质油中的胶质具有胶溶作用,胶质与沥青质的浓度比存在一个极限,当小于这个极限时,重质油将出现聚沉.     

甘油对冰晶生长抑制作用的分子动力学模拟

采用分子模拟方法研究了正交晶系冰晶(020)生长面在不同浓度甘油水溶液中的生长情况. 通过统计分析氢键数、 密度分布函数、 均方根偏差和原子间径向分布函数研究了水分子和甘油分子的动态行为. 结果表明, 甘油分子在水溶液中可与水分子形成大量氢键, 这使水分子间的氢键作用受到抑制, 降低了水分子的扩散性, 致使冰晶不易成核和生长; 另外, 一些甘油分子可代替水分子吸附在晶面上, 甚至占据晶格位点, 这种行为打破了冰晶的对称性并且降低了冰晶的生长速率. 因此, 甘油可同时在晶面和液相中抑制冰晶的生长.     

长径比对椭球粒子液晶行为的影响

利用Gay-Berne模型, 结合分子动力学模拟方法, 研究了粒子长径比对椭球粒子液晶行为的影响, 考察了粒子长径比对向列相和近晶相的影响. 结果表明, 长径比相对较小的粒子有利于向列相的形成, 而长径比相对较大的粒子更有利于近晶相的形成. 分析了近晶相和向列相形成的动力学过程.     

链段刚性对非溶剂致相分离成膜过程影响的耗散粒子动力学模拟

通过分子动力学(MD)模拟映射方法构建了符合聚醚砜(PES)刚性结构的耗散粒子动力学(DPD)简谐力场, 并研究了PES链段刚性对PES/N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/水体系非溶剂致相分离(NIPS)过程的影响. 结果表明, 由于非溶剂和溶剂在两相界面上发生的质量交换, 导致在相界面处PES链段发生堆积, 形成了薄而致密的聚合物表层, 在PES溶液内部, 由于非溶剂的侵入导致体系发生了旋节相分离, 从而在整体上得到了明显的非对称结构; 同时, PES链段刚性的提升能够明显加快体系的相分离速度, 导致相界面处的PES薄层形成得更加快速, 薄层更加致密、 孔径更小, 而对内部的疏松结构影响较小; 此外, 结合不同力场下聚合物浓度对相分离过程的影响可以发现, 不同PES浓度下, 链段刚性的提升对相分离过程的特征和演变趋势没有造成根本性的影响, 与经典的弹簧力场的模拟结果在整体趋势上有相似性. 研究结果表明, 简谐力场能提升PES链段的刚性, 从而能更真实地模拟实际体系的非溶剂相分离法成膜过程.     

Triton X-100/甲苯/水三元体系界面张力的耗散颗粒动力学模拟

采用耗散颗粒动力学方法在介观层次上模拟了非离子表面活性剂Triton X-100 在油/水界面上的分布行为, 并把用于油/水二元体系界面张力的计算方法拓展到含表面活性剂的三元体系. 利用该方法可以得到与实验数值吻合的界面张力数据. 另外, 模拟结果直观展示了表面活性剂界面张力与界面密度的关系, 为表面活性剂复配增效理论提供了依据. 该模拟方法给出的微观信息可以为驱油体系配方筛选和表面活性剂有效应用提供指导.     

Molecular Dynamics Simulation Studies on the Cooling Process of Polyvinyl Chloride

IntroductionRecently,molecular dynamics(MD)simulationhas been used extensively in the study of polymer sys-tems[1—11].The increased interest in computer simula-tion is assisted by the fast evolution of computer tech-nology,which makes molecular simulatio…     

双嵌段共聚物薄膜介观结构的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics, DPD)方法模拟两平行平板间的双嵌段共聚物体系的介观结构. 模拟结果表明, 随板间距的增大, 体系分层数量的增加是不连续的, 在分层数量的增加过程中, 出现不规则结构的过渡区；聚合物链末端距随板间距的增大呈周期性振荡, 振荡幅度逐渐减小. 对模拟结果的分析表明：层状结构转变点与分层数量之间存在近似线性关系；层状结构转变点近似与共聚物链长的2/3次方成正比.     

弱电场驱动下高分子链在周期管道内输运的模拟研究

采用Langevin动力学方法模拟研究了弱电场驱动下高分子链在无限长周期管道中的输运过程. 管道由长度相等的α和β两部分周期排列而成, 其中高分子链与α管道间存在相互吸引作用, 而与β管道间存在纯排斥作用. 模拟结果表明, 高分子链在输运过程中存在明显的受限阶段, 其逃离受限的方式与管道宽度有关且满足不同的规律. 对于窄管道, 高分子链在输运过程中呈直线伸展构型且运动具有“蛇爬行”特征. 高分子链逃离受限过程伴随着整条链的运动, 从而导致迁移率随高分子链长呈周期变化, 而且在迁移率极值位置, 高分子链投影长度与管道半周期之间存在简单的整数倍关系. 对于宽管道, 高分子链在输运过程中出现弯折构型且运动具有“蠕虫运动”特征. 当链长比较长时, 高分子链可通过链前端部分的伸长逃离受限, 从而导致迁移率与高分子链长度无关. 模拟结果可能有助于利用周期管道对不同长度的高分子链进行分离及可控输运.     

基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

在基于Boltzmann分布对四种基本构象进行Monte Carlo取样后, 通过与全原子模型的范德华势比较得到了Gay-Berne (GB)参数. 又在对用量化计算得到的分子体系的电势进行电荷、偶极矩和四极矩的拟合后, 得到了电多极展开势(EMP)参数. 利用得到的粗粒化参数, 基于粗粒化模型, 对CHCl₃及四氢呋喃(THF)两种有机溶剂进行了分子动力学模拟(MDS), 并将结果同全原子模拟进行了比较. 计算结果表明用粗粒化模型从整体上能重复全原子模型的模拟结果, 但在某些细节的计算与全原子模型有偏差, 其原因可能是目前工作仅考虑了单位点情况, 为此今后在对具有复杂结构的分子进行粗粒化模拟时还应考虑合理放置及增加相互作用位点.     

Classical Cascade Calculations on the Analysis of Surface Bonding Structures by Secondary Particle Mass Spectrometry

The application of secondary particle mass spectrometry to analyze the atomic bonding configuration on a surface was investigated with computer calculations of particle sputtering from an Ar-bombarded surface of Ag{111}. In contrast to the prediction from the present sputtering theory, better resolved structure in the angular distribution was not observed for particles of high energy sputtered from the surface. These particles ejected to a wide angle and their angular distribution may not reflect well the atomic bonding geometry on the surface. The analytical capability of secondary particle mass spectrometry to determine surface structures can be significantly improved by selecting for detection only those particles that have prolonged collisions. The preferred directions of ejection and the relative sputtering intensity in the distribution of azimuthal angle between major open channels on the surface vary insignificantly with the duration of collision in the regime of long collisions. The results provide the first evidence that at small energies of sputtering the particles emitted from the surface may contain information about only the top two surface layers. Secondary particle mass spectrometry can thus be extremely surface sensitive for analysis of properties of solid surfaces.