水环境下蒙脱石层间CH_4吸附行为的分子模拟研究

选取钠蒙脱石作为研究对象,通过分子模拟的方式来研究蒙脱石层间水对CH_4吸附的影响。首先,构建钠蒙脱石层间结构模型,采用分子力学方法对模型进行优化,然后对优化后的结构模型使用巨正则系综蒙特卡罗方法(GCMC)进行吸附模拟,将吸附模拟得到的模型结构进行分子动力学模拟。研究表明,当温度一定时,随着层间水含量的增加,CH_4的吸附量逐渐减小。钠蒙脱石层间水和CH_4存在竞争吸附。H_2O与钠蒙脱石层间结构容易形成氢键,故钠蒙脱石优先吸附H_2O。     

水环境下甲烷在不同润湿性石英表面吸附行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究水环境下石英表面润湿性对甲烷在石英狭缝中吸附行为的影响。结果表明:对于亲水性较强的石英表面,水分子优先吸附于石英表面,甲烷分子在狭缝中心发生团聚;而疏水性较强的石英表面,甲烷分子优先吸附于石英表面,水分子在狭缝中心发生团聚;当石英表面为中性润湿时,石英表面对这两种分子没有表现出优先选择性吸附。水、甲烷与不同润湿性石英表面的相互作用能表明,水/固相互作用是水环境下甲烷在石英狭缝中吸附构型改变的主要驱动力。     

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.     

Si在Si（111）表面吸附过程的分子动力学模拟

利用Tersoff半经验多体相互作用势和分子动力学模拟方法研究了荷能的硅原子在Si(111)表面的吸附过程.对100K时,初始入射动能分别为5,15,25,30eV的硅原子从6个不同位置轰击Si(111)表面进行了模拟,观察到了硅原子在Si(111)表面形成的吸附结构,并讨论了不同入射位置和入射能量对吸附结构的影响.结果表明,硅原子相对于表面不同的局部构型发生不同的碰撞过程,而硅原子入射能量的提高有利于成键过程的发生,从原子尺度模拟了沉积机制.     

蛋白质和带电聚合物刷吸附行为的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟了蛋白质与带电聚合物刷的吸附过程,研究了蛋白质带电密度、聚合物链的吸附密度,以及盐溶液对吸附的影响.模拟验证了实验结论:蛋白质产生吸附的条件,首先是其表面带电密度要足够大到在其表面产生离子凝聚,其次聚合物链的吸附密度要使得带电聚合物刷处在最有利于吸附产生的渗透区域,而随着盐离子的加入,吸附的蛋白质开始释放.     

SiC纳米包覆颗粒烧结行为的分子动力学模拟

碳化硅(SiC)制备在核燃料研究中具有重要意义,例如新型事故容错核燃料采用SiC作为关键基体材料。研究SiC纳米包覆颗粒的烧结行为对优化新型核燃料基体材料制备工艺具有指导意义。该文根据纳米颗粒熔点变化规律,验证了Tersoff势函数进行SiC分子动力学模拟的可行性和模型参数的准确性;考察了纯相SiC、富硅(SiC@Si)和富碳(SiC@C)这3种典型SiC纳米颗粒的烧结演化过程;并对烧结过程进行了定量描述,通过烧结颈生长、能量演变和原子扩散等参量分析了烧结机制,重点关注包覆层结构对SiC烧结行为的影响,从而获得包覆颗粒烧结机理。研究结果表明：包覆层的原子扩散性会促进颗粒原子整体迁移,从而加速整体烧结行为。SiC@Si颗粒比SiC@C颗粒更易发生包覆层原子扩散,因而SiC@Si颗粒更易发生烧结;较低的加热速率在一定程度上有利于烧结进行,但并不影响包覆颗粒的原子扩散模式。研究结果对SiC纳米颗粒烧结机制给出了定量解释,有助于理解SiC烧结制备过程的规律。     

分子动力学模拟锐钛矿的压缩行为

作者利用壳层模型分子动力学对锐钛矿在室温下的压缩行为进行了研究.基于常压下的状态方程作者得到了锐钛矿的晶格常数、弹性常量和体变模量.与此同时作者还研究了晶格常数a和c,以及原胞体积和压强的关系.其计算结果和已有的实验结果符合得较好.     

单层石墨烯温度效应的分子动力学模拟

在不同温度条件（0 K-3000K）下,采用AIREBO势函数对单层石墨烯薄膜的弛豫性能和拉伸性能进行分子动力学模拟,研究单层石墨烯在弛豫过程中温度效应对其原子结构的影响以及单层石墨烯在拉伸过程中力学性能与温度效应的关系.研究结果表明：单层石墨烯的弛豫性能和拉伸性能均对温度具有很强的依赖性.理想状态下,单层石墨烯的弛豫是一个原子结构的动态平衡过程,随着温度升高,石墨烯稳定性降低,弛豫过程中原子的波动起伏变得不规则和剧烈起来.在温度从0K上升到3000K的过程中,单层石墨烯的拉伸强度、拉伸极限应变和弹性模量值均呈现下降趋势,且锯齿型石墨烯的弹性模量对温度的依赖程度比扶手椅型大,薄膜的拉伸随温度变化表现出不同的破坏形态.     

盐水液滴在砂岩表面润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究NaCl对水滴在砂岩表面的微观润湿行为的影响。结果表明:NaCl能降低水对砂岩表面的润湿程度,强亲水的砂岩表面随NaCl质量分数的增大向弱亲水转化;水的润湿角随NaCl质量分数的增加而增大,在NaCl质量分数大于19.6%时则几乎不发生变化;粒子间的结合能垒远大于解离能垒,引起水分子聚集在Na+、Cl-周围而增强了盐水液滴的聚集能力,导致润湿角的增大;砂岩表面对水的相互作用能随着NaCl质量分数的增加而减少,但在质量分数大于19.6%时吸附能的变化不大,与润湿角的变化趋势一致。     

醇胺药剂与石英界面作用的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟研究了醇胺浮选药剂十二胺、十二醇及其混合物与石英的界面作用,得到吸附稳定后的团簇形貌及水分子排布,发现十二胺可在石英表面形成稳定的柱状半胶束,而十二醇则不与石英表面发生作用,悬浮在水相之中。对混合药剂而言,十二醇可以通过疏水性碳链间作用黏聚在十二胺半胶束上方,但不改变胶束化过程,该现象可调节矿物表面的zeta电位,提高浮选效率。研究发现两种药剂均不能吸附在表面羟基化的石英上,故在低pH条件下,它们均不能有效浮选石英。     

超临界二氧化碳萃取深层稠油组分的分子动力学模拟

为了从微观层面探究超临界CO_2对稠油组分的萃取机制,采用分子动力学模拟方法分析了稠油组分在砂岩表面的密度分布和吸附特征,研究了超临界CO_2对岩石表面稠油组分的萃取特点和扩散规律。研究结果表明,稠油四组分在稠油聚集体中呈现不均衡分布状态,沥青质自缔合能力强,胶质紧密包裹在沥青质周围,构成复杂的空间网状结构;芳香烃和饱和烃分布在沥青质、胶质周围,显示出稠油分子结构的层次性。沥青质与岩石表面相互作用能较大,超临界CO_2难以在沥青质中运移,扩散系数低,萃取难度大,萃取率接近于0;而芳香烃、饱和烃与岩石表面的相互作用能较小,超临界CO_2容易在芳香烃、饱和烃中溶解、运移,扩散系数大,容易被超临界CO_2萃取,萃取率可分别达到53%和28%。运用分子动力学方法揭示的微观动力学机制对于宏观认识超临界CO_2萃取稠油轻质组分具有重要意义。     

MCM-41介孔分子筛吸附分离瓦斯组分的分子模拟研究

以自制的MCM-41介孔分子筛为原型,采用圆柱型孔结构模型对CH4,N2,CO2及其多组分混合物在MCM-41介孔分子筛上的吸附行为进行了GCMC模拟。探讨了单组分、双组分和三组分气体在吸附材料上的吸附量随吸附压力变化规律及吸附、分离特征。结果表明,3种组分在吸附材料上的最大吸附量分别为3.75,2.6和7.54mmol/g;CO2/N2,CH4/CO2和CH4/N2的最大分离系数分别为10.4,4.33和3.5.等摩尔3组分混合气体吸附时,CO2在吸附相中被浓缩,CH4和N2在气相中得到适当富集。     

分子动力学模拟碳纳米管与蛋白质中功能基团的相互作用

采用分子动力学方法模拟了水溶液中单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWNTs)与由蛋白质中功能基团功能化的自组装单层膜(self-assem bled monolayers,SAMs)的相互作用.研究结果显示由于水分子的溶剂化效应,单壁碳纳米管(SWNTs)与带电荷的SAMs相互作用能量为零.SWNTs与不带电荷的SAMs可以相互吸附,而影响二者吸附的因素中范德华作用占主导地位.同时通过质心距离分析也证明了功能化基团的种类及电离状态对SAMs与SWNTs的相互作用存在影响,并验证了蛋白质原子和SWNTs的有效相互作用距离.     

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。     

油水界面上AOT聚集行为的分子动力学模拟

用分子动力学模拟（MD）方法研究了2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠（AOT）在异辛烷／水界面的聚集行为．结果发现：AOT作为界面改性剂可以在油水界面形成单分子层,并随着浓度的增加从不饱和到饱和、从无序到有序发展;由于存在静电相互作用,盐（NaCl）的加入可以改变表面活性剂在油水界面的排列．     

分子模拟蛋白质在氧化锌界面上的吸附

采用分子力学、分子动力学方法模拟了周期性水环境下聚十赖氨酸在氧化锌界面上的吸附过程．模拟初始对水溶液进行了能量优化，对聚十赖氨酸和水整体进行了100ps的分子动力学模拟．结果表明，聚十赖氨酸在氧化锌界面的吸附作用下构象发生变化，部分α螺旋结构消失．水溶液在界面与聚十赖氨酸分子作用过程中起到非常重要的媒介传递作用．界面作用、分子内部的作用和水溶液的共同作用使聚十赖氨酸侧链呈部分规律性变化．     

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.     

基于分子动力学模拟的天然橡胶黏弹性材料力学行为

以天然橡胶为例,采用分子动力学模拟方法,研究了单轴拉伸条件下材料分子链聚合度参数p、环境温度T和加载率R对黏弹性材料力学性能的影响.结果 表明,材料应力随分子链聚合度和加载率的增加而增加,随温度的升高而降低,低温高频下材料呈现出塑性特点.在R=108 s-1,T=250 K的条件下,p=20,40时,材料应力峰值分别为...     

1-(2-羟乙基)-2-烷基咪唑啉缓蚀剂在铁表面吸附的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟方法,分析液相条件下6种不同烷基链长的1-(2-羟乙基)-2-烷基咪唑啉缓蚀剂在Fe(001)表面的吸附.结果表明:6种缓蚀剂分子的极性头基均会吸附在铁表面,且头基中的咪唑环在铁表面上近似平行吸附,而分子的烷基碳链则背离金属表面,并以一定的倾角指向液相;随分子烷基链长的增加,缓蚀剂与铁表面的结合强度逐渐增大,同时缓蚀剂膜的致密性也逐渐增大;模拟的6种缓蚀剂分子缓蚀性能与实验结果吻合.