碳纳米管阵列储氢的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟了常温和不同压强下,氢在不同管径和管间距的单壁碳纳米管阵列(SWCNTA—S ingle-walled Carbon Nanotube Arrays)中的物理吸附过程.重点研究了压强、管径和管间距对SWCNTA(管内和管间隙)物理吸附储氢的影响.发现氢分子主要储存在SWCNTA的管壁附近,适当地增大管径和管间距可有效增加SWCNTA的物理吸附储氢量,使其在常温下具有较高的储氢能力,并给出了相应的理论解释.计算结果表明,在常温和中等压强下,SWCNTA的物理吸附总储氢量(重量百分比)可达4.2%,从而为同等条件下SWCNTA具有较高储氢能力的实验结果提供了直接的理论支持.     

水溶液中石墨烯剥离的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟方法研究柔性石墨烯在水溶液中剥离的热力学机制。为了表征石墨烯与水溶剂之间的相互作用,研究了石墨烯周围水溶剂的结构性质;通过施加外力的方法剥离石墨模型中最外层的石墨烯,计算剥离过程中体系自由能的变化,并对剥离过程中微观结构变化以及石墨烯周围水溶剂结构性质进行分析。结果表明:石墨烯与水之间的相互作用较小;剥离石墨烯需要克服一定的能垒;石墨烯之间的相互作用决定了自由能能垒的大小,溶剂诱导的贡献对剥离起到促进作用;受限区域内的水溶剂分子对剥离起到重要的作用。     

水-超临界二氧化碳界面的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究20 MPa, 318.15 K条件下水超临界二氧化碳界面的微观结构及其自扩散性质,模拟采用TIP3P (transferable intermolecular potentials 3P)水分子模型和EPM2 (elementary physical model 2)二氧化碳分子势能模型.研究结果表明:水相和二氧化碳相形成明显的界面,界面层的分子有特定的取向;自扩散表现出明显的各向异性特点,并且在界面层二氧化碳与水的扩散趋于一致.     

磁场对水内能作用的分子动力学模拟

将水系统视为正则系综 ,采用分子动力学模拟方法计算了磁场条件下水的内能、比热和径向分布函数。结果表明 ,磁场可以影响径向分布函数 g(r)的分布 ,使水的结构发生变化 ,从而导致水的内能、比热发生改变。水的内能、比热、径向分布函数伴峰的高度与磁场强度的关系均呈多极值特征 ,且在常温下磁感应强度为 0 .2 5T时 ,磁场作用最明显。     

磁场对水内能作用的分子动力学模拟

将水系统视为正则系统，采用分子动力学模型方法计算了磁场条件下水的内能，比热和径向分布函数，结果表明，磁场可以影响径向分布函数g(r)的分布，使水的结构发生变化，从而导致水的内能，比热发生改变，水的内能，比热，径向分布函数伴峰的高度与磁场强度的关系均呈多极值特征，且在常温下磁感应强度为0．25T时，磁场作用最明显。     

Water conduction through the hydrophobic channel of a carbon nanotube.

Confinement of matter on the nanometre scale can induce phase transitions not seen in bulk systems. In the case of water, so-called drying transitions occur on this scale as a result of strong hydrogen-bonding between water molecules, which can cause the liquid to recede from nonpolar surfaces to form a vapour layer separating the bulk phase from the surface. Here we report molecular dynamics simulations showing spontaneous and continuous filling of a nonpolar carbon nanotube with a one-dimensionally ordered chain of water molecules. Although the molecules forming the chain are in chemical and thermal equilibrium with the surrounding bath, we observe pulse-like transmission of water through the nanotube. These transmission bursts result from the tight hydrogen-bonding network inside the tube, which ensures that density fluctuations in the surrounding bath lead to concerted and rapid motion along the tube axis. We also find that a minute reduction in the attraction between the tube wall and water dramatically affects pore hydration, leading to sharp, two-state transitions between empty and filled states on a nanosecond timescale. These observations suggest that carbon nanotubes, with their rigid nonpolar structures, might be exploited as unique molecular channels for water and protons, with the channel occupancy and conductivity tunable by changes in the local channel polarity and solvent conditions.     

不同结构单壁碳纳米管热传导的分子动力学模拟

采用基于线性响应理论的平衡态分子动力学方法,计算了扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管(SWNTs)的导热系数,并给出其随管长、直径和温度的变化.在此基础上,对2种结构SWNTs的热传导性能进行了比较.模拟结果表明:SWNTs的导热系数在管长较短时随着管长的增加有所浮动但并不收敛,随温度的升高,导热系数将降低;2种结构SWNTs的导热系数均随着直径的减小而升高,且在相同直径时,不同结构碳纳米管的导热系数相差不大,这与输运方程进行理论求解的结果较为一致.     

用分子动力学方法对Cystatin蛋白的研究

通过动力学模拟研究野生型和I66Q突变型cC的动力学特性,为设计和筛选治疗Cystatin C引起的脑淀粉样血管病药物提供重要的理论依据.通过分子动力学模拟的方法,选择可引起脑淀粉样血管病的Cystatin蛋白为模型,探讨了在形成致病状纤维过程中起到关键作用的蛋白质结构位点.研究分子动力学模拟显示,突变型cC较野生型更易形成淀粉样纤维,突变型蛋白的L1部位较野生型具有更高的柔性,更易通过结构域交换形成二聚体进而引发淀粉样纤维沉淀.该研究结果对于设计治疗相关疾病如疯牛病等的药物也有一定的借鉴意义.     

Molecular dynamics simulation of the ice nucleation and growth process leading to water freezing

Upon cooling, water freezes to ice. This familiar phase transition occurs widely in nature, yet unlike the freezing of simple liquids, it has never been successfully simulated on a computer. The difficulty lies with the fact that hydrogen bonding between individual water molecules yields a disordered three-dimensional hydrogen-bond network whose rugged and complex global potential energy surface permits a large number of possible network configurations. As a result, it is very challenging to reproduce the freezing of 'real' water into a solid with a unique crystalline structure. For systems with a limited number of possible disordered hydrogen-bond network structures, such as confined water, it is relatively easy to locate a pathway from a liquid state to a crystalline structure. For pure and spatially unconfined water, however, molecular dynamics simulations of freezing are severely hampered by the large number of possible network configurations that exist. Here we present a molecular dynamics trajectory that captures the molecular processes involved in the freezing of pure water. We find that ice nucleation occurs once a sufficient number of relatively long-lived hydrogen bonds develop spontaneously at the same location to form a fairly compact initial nucleus. The initial nucleus then slowly changes shape and size until it reaches a stage that allows rapid expansion, resulting in crystallization of the entire system.     

纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究了硅针尖在金刚石基底滑动的黏滑现象,讨论了纳米尺度下温度、滑动速度、载荷等因素对黏滑摩擦的影响.模拟结果表明,在纳米尺度下,原子排列规则的两固体间的滑动摩擦力呈现出周期性的锯齿型变化.摩擦力曲线的波动周期取决于滑动过程中基体沿滑动方向的晶格常数,同时受接触面原子排列结构变化的影响.在较低温度范围内,滑动摩擦力随温度的升高近似呈线性减小,对滑动摩擦力的波动周期和振幅影响不大.在一定速度范围内,滑动摩擦力主要受黏着作用的影响,滑动摩擦力的大小随速度的增大近似呈线性增大.在一定载荷范围内,滑动摩擦力随载荷的增大近似呈线性增大,振动周期变大.     

超晶格薄膜热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格薄膜的热传导性能,并对其主要影响因素作了分析．模拟结果显示,周期长度固定的超晶格薄膜,界面热阻在总热阻中的比例和导热系数同周期数无关;当超晶格薄膜的膜厚不变时,导热系数将随着周期长度的增大而增大,但由于超晶格薄膜晶格常数的不匹配,使其内部发生明显的几何形变,这种变化关系也愈加复杂,同时周期长度的增加,平均界面热阻也随着增大,揭示了界面热阻不仅取决于界面层的物理条件,而且也与构成的介质内部形变有着重要关系．     

纳米粒子介电泳的分子动力学模拟

为研究微流体环境下纳米粒子的介电泳现象并分析其介电泳特性,采用非平衡态分子动力学方法对纳米胶体粒子及其周围溶剂粒子进行建模.介电泳模拟之前,通过对系统能量和温度的趋衡过程进行模拟,使纳米胶体所处的微流体系统达到稳定状态,并得出系统能量以及温度变化过程的趋衡图.对纳米胶体模型施加非均匀电场,使胶体电偶极化.变化非均匀电场强度,研究胶体模型失效的一般规律.发现随着非均匀电场强度的增加,小离子有不断脱离大离子表面的趋势,胶体模型失效的临界电场强度参数为Eo=15s/(eó).此外,对不同极性的纳米胶体的介电泳现象进行模拟,发现在正介电泳情况下,胶体的电偶极距不断增大,且电偶极距大的胶体有较大的介电泳速度和位移.     

吸附诱导表面应力的分子动力学模拟

应用分子动力学方法结合镶嵌原子势,模拟研究了同质吸附Cu/Cu(100)和异质吸附Al/Ni(100)纳米薄膜中的吸附诱导表面应力.结果表明吸附原子对表面应力的影响主要源于两种原子间的相互作用;吸附原子和底物表面原子的结合将导致底物表面原子之间的化学键的强度减弱和平衡键长增加,从而导致表面压应力增加;吸附原子之间的相互作用也导致表面应力的变化,吸附原子间的吸引作用导致表面拉应力,而排斥作用导致表面压应力.这两种原子间相互作用所引起的表面应力与吸附原子的密度密切相关,吸附原子与底物表面原子的结合所引起的表面应力的大小与吸附原子的密度成线性关系,而吸附原子间的相互作用所引起的表面应力与吸附原子密度间呈非单调的依赖关系.     

基于分子动力学的纳米压痕形变过程模拟

采用分子动力学方法模拟了金刚石压头压入Fe基体的纳米压痕全过程．研究了加载和卸载时基体的原子组态、载荷一位移曲线以及位错的发射和变化．分析了基体的塑性形变机理．发现压人深度为0．69nm时出现位错．随压入深度的增加位错长大成环,基体塑性形变加剧．卸载过程中位错环不断减小,当压头恢复到起始位置后,基体中心残留有位错环,产生了永久塑性形变,位错环的存在是基体产生永久塑性形变的关键因素．     

Molecular dynamics simulation of RNA pseudoknot unfolding pathway

Many biological functions of RNA molecules are related to their pseudoknot structures. It is significant for predicting the structure and function of RNA that learning about the stability and the process of RNA pseudoknot folding and unfolding. The structural features of mouse mammary tumor virus (MMTV) RNA pseudoknot in different ion concentration, the unfolding process of the RNA pseudoknot, and the two hairpin helices that constitute the RNA pseudoknot were studied with all atom molecule dynamics simulation method in this paper. We found that the higher cation concentration can cause structure of the RNA molecules more stable, and ions played an indispensable role in keeping the structure of RNA molecules stable; the unfolding process of hairpin structure was corresponding to the antiprocess of its folding process. The main pathway of pseudoknot unfolding was that the inner base pair opened first, and then, the two helices, which formed the RNA pseudoknot opened decussately, while the folding pathway of the RNA pseudoknot was a helix folding after formation of the other helix. Therefore, the unfolding process of RNA pseudoknot is different from the antiprocess of its folding process, and the unfolding process of each helix in the RNA pseudoknot is similar to the hairpin structure’s unfolding process, which means that both are the unzipping process.     

L-J流体扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟的方法,计算了模型流体氩及氩／氪溶液的自扩散系数和互扩散系数．计算结果表明,对不同状态下氩的自扩散系数的计算与实验结果符合较好,误差在10％左右;采用Green-Kubo法和Einstein法计算的扩散系数相等．氩／氪溶液的理想性较好,由径向分布函数计算得到热力学因子Q的数值为1．03。     

硅纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了硅纳米线的热传导性能,并对其主要影响因素作了分析.模拟结果表明:在相同的温度区间(800~1 500 K)内截面形状为正方形的纳米线的导热系数要比体态硅小2个量级,且随着温度的上升,导热系数随之下降;当模拟温度固定时,导热系数随着纳米线长度的增加而增加,并趋于一个收敛值;同时当纳米线的截面面积增加时,导热系数也随之增加;当纳米线表面存在缺陷时,其热传导系数小于无缺陷纳米线的值.     

二氧化碳水二元混合流体的分子动力学模拟研究

对二氧化碳、水的二元混合流体进行分子动力学模拟,研究了温度、压强、浓度条件变化对二氧化碳水二元混合流体性质的影响．所得计算结果与实验值符合得非常好．分析结果得出,混合物中水的自扩散系数与二氧化碳的自扩散系数随压强增大而减小,混合物中水的径向分布函数受温度、压强的影响较二氧化碳显著,水中的H与二氧化碳中的O形成的氢键作用力随温度增加而增强,随水的浓度增加而减弱．     

聚合物阻垢机理的分子动力学模拟研究

为了研究聚羧酸类阻垢剂分子的阻垢性能,采用分子动力学方法模拟了方解石（110）晶面加入聚丙基-丙烯酸甲酯（PPA）分子后晶面与CO3^2-和Ca^2＋的相互作用。计算结果表明,加入PPA后方解石晶面对游离态CO3^2-和Ca^2＋离子结合能明显小于加入PPA前,说明PPA分子阻止了CO3^2-和Ca^2＋在方解石晶面的吸附。同时,对两种体系下CO3^2-离子的动力学行为的分析结果也证明了PPA的阻垢能力。相互作用后PPA分子发生了一定的形变,并且其中部链基变化比两端大,说明中部链基的阻垢能力比较强。