液态金属Cu凝固过程中晶体形核与生长及纳米团簇结构的演变特性

采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen（Q-SC）多体势,对含有5万个液态金属铜（Cu）原子系统在凝固过程中的晶体成核与生长规律及纳米团簇微观结构转变特性进行了模拟跟踪研究.运用Honeycutt-Andersen（HA）键型指数法和新的原子团类型指数法（CTIM-2）分析了金属Cu原子的成键类型和原子团簇微观结构演变特性.结果发现：在以1.0×1013K/s速度冷却时,体系最终形成晶态与非晶态结构共存的混合结构,非晶转化温度约为673K,结晶起始温度为373K.在以4.0×1012K/s速度冷却时,结晶起始温度为673K,系统形成以1421和1422二种键型或由其构成的面心立方（fcc）（12000120）和六角密集（hcp）（1200066）基本原子团为主体的晶态结构,尤其是由1421键型构成的面心立方基本原子团在晶核生长和纳米团簇结构形成过程中占主导地位.形核和生长过程对凝固微观结构演变特性有重要的影响.     

AuCu团簇分子动力学研究

根据D-B的嵌入原子法(EAM), 结合Johnson 双体势和Murrell多体势,对AuCu 团簇结构进行了分子动力学模拟.研究表明EAM 势函数可较好地描述非晶态合金体系.非晶态团簇形成中以多面体方式生长,无序态(采用二十面体及十面体结构)比有序态更稳定.     

Fe团簇在Fe（110）表面上扩散和结构稳定性的分子动力学研究

采用嵌入原子势和分子动力学方法研究了Fe的小团簇（小于10个原子）在Fe（110）表面上的结构稳定性和扩散特性.计算结果表明体心立方结构的Fe表面,四原子和七原子团簇有较高的转变能和扩散势垒,说明这两种团簇比其他原子团簇更稳定和容易观测到.这两种团簇可能是薄膜生长过程中的临界晶核.研究了三聚体的旋转扩散和团簇扩散过程中二聚体剪切机制,发现二聚体扩散可能是Fe的小团簇在Fe（110）表面扩散的一种重要扩散方式.     

团簇在金属表面沉积过程的分子动力学模拟

在冷喷涂过程中,喷涂粒子被超音速气流加速到较高的速度,在低于喷涂材料熔点的温度下撞击基体,发生剧烈的塑性变形而沉积形成涂层.但是由于高速粒子碰撞变形的瞬时特点,不能对粒子变形沉积过程进行直接观察,通过对Ni团簇在Cu基体上的沉积过程的分子动力学模拟,可以观察到团簇撞击基体并在基体上沉积的过程,以及团簇和基体的形貌变化;另外,通过计算团簇原子进入基体表面层的数量探讨了影响团簇沉积过程的主要因素.     

Cu_(59)团簇在升温过程中结构变化的分子动力学研究

应用基于嵌入原子势的分子动力学方法研究了一个Cu59团簇在升温过程中由固态转变为熔体的结构演化过程.根据由原子密度分布函数确定的4个壳层内原子局域结构随温度升高所发生变化的分析表明,在升温过程中由于原子之间连续地交换位置,团簇结构发生了三个阶段的变化.首先在团簇内部形成由13个原子组成的近二十面体结构,继之各壳层内的原子结构逐渐变得无序,并最终形成原子分布于3个壳层内的处于熔融状态的Cu59团簇.     

纳米铝团簇初始氧化过程分子动力学模拟

为了研究铝团簇在不同氧化剂中氧化特性及机理,采用ReaxFF反应力场分别对Al-O₂和Al-H₂O系统的初始氧化过程进行了模拟. 在Al-O₂系统中,环境温度决定初始氧化过程铝团簇周围是否出现单独Al原子,且存在一个温度阈值,当低于温度阈值时不会出现单独Al原子. 在Al-H₂O系统中,研究了初始水分子数和温度对初始氧化过程的影响. 研究结果表明,水分子对铝团簇表面吸附的水分子离解过程具有促进作用. 分析了直径为2 nm铝团簇与水发生反应的机理,并与Al_n（n=3～20）团簇与水分子反应机理进行了比较,发现纳米铝团簇与水分子反应机理在不同初始水分子数和温度下存在明显差异.      

Pd-Pt团簇升温过程中Pd原子偏析的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟初始结构为二十面体Pd13Pt134,Pd55Pt92升温过程,研究发现团簇升温过程中内层Pd原子向外偏析,且原子分布位置和数量对升温过程中的热力学性质有影响.Pd55Pt92团簇的势能曲线在720~880K之间向下跃变,而Pd13Pt134团簇的势能曲线异常波动出现在980K附近.对Pd13Pt134的进一步研究表明Pd原子的位置是导致势能曲线异常的主要原因,Pt原子掺在核心层时势能曲线在升温过程中上升,而Pt原子掺在第二层时势能曲线出现异常变化,在900K处出现向下跃变.分析发现Pt原子在不同位置层的势能差别是导致势能曲线异常变化的主要原因.     

硅团簇拉伸/压缩性能的分子动力学模拟

采用基于Stillinger-Weber(SW)势的分子动力学方法模拟了Si13团簇温度T分别为300K,50 K,5 K下的拉伸/压缩过程,得出了Si13团簇拉伸/压缩的力与应变的曲线图,讨论了不同温度下Si13拉伸/压缩的力学特性以及拉伸与压缩特性的差异。研究表明,拉伸/压缩初始阶段力与应变呈线性关系,拉伸时温度越高受力越大,压缩时正好相反,而且同等应变下拉伸时的力明显高于压缩时的力;当拉伸应变达到承载极限,继续拉伸,力突然变得很小,随后力与应变又呈现出与初始阶段相同的线性关系,这是团簇所特有的现象。     

小尺寸Au-Ag合金团簇稳定结构的模拟研究

采用微正则分子动力学方法模拟了原子数N=80的7种Au-Ag合金团簇（按原子数比例不同）,得到团簇势能随温度变化关系．结果表明,降温速度对团簇结构的势能影响很大,冷却速度较慢的情况下,形成的团簇势能较低,结构相对稳定．采用相同的降温速度模拟了N=144的7种Au-Ag合金团簇的这种稳定结构,得出各种原子数比例不同的合金团簇的稳定结构具有一定的相似性．     

A two—dimensional molecular dynamics simulation of liquid—vapor nucleation

The molecular dynamics method is employed to simulate the liquid-vapor nucleation processes.The results show that the initial stage of nucleus in nucleation process is cavity or space containing very few vapor molecules.Because of the very limited size of the simulation domain in previous reports,further growth of the nucleus has not been realized.Large scale molecular dynamics simulation of liquid-vapor nucleation in dicates that the liquid-vapor nucleation process undergoes at least three stages:cavity growth,cavity coales-cence,bubble formation.     

钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟

基于分子动力学模拟,系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响.首次采用微动弹性带(nudged elastic band,NEB)方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析.研究发现,存在一个极限氦/空位比,当氦/空位比超过该极限值时,纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生...     

温度和外加电场对水分子团簇影响的分子动力学模拟

应用分子动力学（MD）模拟方法研究了温度从273～373K，电场强度从0-2×10^10V／m时水分子团簇的热力学性质、微观结构和动力学性质．研究发现，内能与温度成正比与电场强度成反比，通过分析径向分布函数，我们得知，温度升高使水的氢键作用减小，外加电场增加使氢键作用增强，使水的有序程度加强．水的自扩散系数随温度升高而增大，随电场强度的增加而减小，且在低温时，有电场时水的自扩散系数是无电场时的十分之一．     

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。     

超薄膜润滑的分子动力学模拟

超薄膜（膜厚趋于分子量级）的摩擦特性与宏观流体膜有很大的不同,与超薄膜的微观结构有密切的关系。本文应用可以同时模拟超薄膜宏观和微观特性的分子动力学模拟（ＭＤＳ）方法,研究了超薄膜的微观结构与摩擦学特性间的关系,发现了平行于壁面的层状类固态结构;固液作用强度及膜厚大小对类固态结构有着明显的影响;超薄膜的极限膜厚由类固态与液相的比例决定。这种微观结构的相变改变了超薄膜的摩擦学特性。模拟中还发现了剪切诱导的微观构型。     

Molecular dynamics study on the structure I helium hydrate

A 368- water molecule structure I gas hydrate, encased by the number of helium (He) molecules ranging from two to twenty-two, are calculated by molecular dynamical simulations. The potential TIP4P (transferable intermolecular potentical with four sites) is used for water interactions and Lennard-Jones for He-He and He-water interactions. He molecules do not affect the water lattice and can stabilize the hydrate when their concentration is small. A trough signature of He encased is found at 80～90 meV in the phonon density of states. He molecules prefer to be more off-center in 51262 cages. Heavier isotope He are energetically favorable to be filled in cages.     

液态甲醇微观结构的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对298 K,0.78 g/cm3的液态甲醇的蒸发潜热、自扩散系数、体系的微观构型、径向分布函数和甲醇分子间的氢键结构进行了模拟研究.结果表明,甲醇的蒸发潜热和自扩散系数的模拟结果与实验数据符合.采用计算机图形技术得到了体系达到平衡时其微观构型的物理图像;对氢键的结构分析表明,形成两氢键的甲醇分子的摩尔分数为77.39%,每一甲醇分子形成氢键的平均数目为1.902;形成氢键的两甲醇分子O…O—H取向角分布曲线在12.2°处出现峰值,取向角θ小于12.2°的甲醇分子的摩尔分数为57.39%,形成氢键的甲醇分子取向几乎呈线性分布;氢键的平均寿命为12.6 ps.     

分子动力学模拟三乙烯二胺准晶体的可控晶体生长

由于三乙烯二胺结晶均匀度和大小不一,且传统结晶工艺不可控,严重影响了其使用性能,且制约了后续产品的研发.采用分子动力学模拟,研究了三乙烯二胺在温度253～413 K下的准晶生长.通过研究准晶的势能、分子排布、密度、扩散系数、径向分布函数和N—N原子的取向性来表征影响效果.模拟结果表明:三乙烯二胺准晶体随着温度的升高,总...     

Experimental and molecular dynamics study of gas flow characteristics in nanopores

Gas flow characteristics in nanopores were investigated experimentally and numerically using molecular dynamics (MD) simulations with an emphasis on the friction factor and gas viscosity. The results show that the viscosity and the friction factor in nanopores are much lower than those in macroscale channels. The actual viscosities obtained from the MD studies showed that the gas viscosity in nanopores is less than the macroscale viscosity because collisions between gas molecules are less frequent in high Knudsen number flows and there are more collisions with the wall. The MD simulations show that the velocity profile is composed of two parts, with a much steeper velocity gradient near the wall.     

Molecular dynamics simulation of ethene adsorption, polarization and diffusion in three kinds of zeolites

Molecular dynamics (MD) simulation was performed to study ethene adsorption, polarization and diffusion in orthorhombic and monoclinic MFI and H[AI]ZSM-5 at 300 K. The results show that the interaction between ethene molecule and orthorhombic MFI is the strongest. Ethene molecules possess relatively low energy in the lattice of orthorhombic MFI. The existence of Al and Bronsted H atoms in the framework of H[AI]ZSM-5 can lower the energy of adsorbed ethene molecules. At the edges of intersections of channels, especially those near Al sites, ethene molecules are polarized most. Ethene molecules prefer the locations at the centers of channel intersections. The diffusion coefficients of ethene in the lattices of orthorhombic, mono-clinic MFI and H[AI]ZSM-5 are 2.7 × 10-9, 2.1×10-9, 1.6 × 10-9 m2·s-1, respectively. The infrared spectrum of ethene in the framework of H[AI]ZSM-5 shows five vibration peaks ( v10, v7, vl2, v11 and v9), which is consistent with the experimental result.