水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動力學特性的計算機模擬研究.pdf

1、本文結(jié)合計算機應用技術(shù)和物理學原理,對于水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動力學特性進行了計算機模擬仿真研究,實現(xiàn)了計算機方法在物理研究中的實踐應用,并得到了一些令人滿意的結(jié)果。
　　 本論文主體可分為五大部分。前兩章為基礎知識和原理的介紹,后三章針對研究課題,闡述開展的主要工作。
　　 第一章先介紹了水系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì),然后闡述了水的固體相——冰的結(jié)構(gòu)和物理特征。在此基礎上,本章節(jié)對于水系統(tǒng)在兩種特殊條件下形成的奇異結(jié)構(gòu)——氣體水化合

2、物和受限空間水進行了詳細介紹。
　　 第二章主要闡述計算機模擬方法在物理學中的應用發(fā)展以及一些具體的計算機模擬理論。其中,對晶格動力學模擬方法和分子動力學模擬方法進行了詳細的介紹。
　　 第三章主要內(nèi)容是在前兩章的基礎上,根據(jù)水系統(tǒng)的物理特征,采用計算機模擬的方法,對于描述一型、二型氣體水化合物和受限于碳納米管水的物理模型進行優(yōu)化選擇,然后對需要分析的物理參量進行程序編碼,實現(xiàn)從物理語言描述到計算機語言描述的轉(zhuǎn)換。通過編

3、制程序在計算機中的運行,把實際物理問題模擬抽象成二進制數(shù)據(jù)。這一章中根據(jù)水系統(tǒng)中的“冰規(guī)則”,我們對水合物晶格上氫原子坐標的無序放置提出了自己有效的算法思想。通過對幾種不同的水分子模型的計算,根據(jù)輸出優(yōu)劣性的比較;選擇了TIP4P水分子模型作為我們所研究的水系統(tǒng)中的基本單元模型。在此基礎上,我們定義了氣體水合物體系和碳納米管水體系的模擬細節(jié),對研究體系進行完整全面的建模操作。要從量化角度界定物理體系的一些特征,通常需要考量一些物理過程和

4、物理參量。這一章節(jié)的后半部分則是根據(jù)一些物理過程和物理參量的定義,將其用計算機語言表述出來。這些表述既要符合物理規(guī)律的真實含義,再現(xiàn)物理過程,同時又要求符合計算仿真的算法要求,能夠在設備上有效運行,得到精確的輸出結(jié)果。這為后面章節(jié)中對兩種特殊水系統(tǒng)的模擬仿真研究,提供了計算機技術(shù)支持。
　　 第四章主要內(nèi)容是使用晶格動力學計算方法對氣體水化合物結(jié)構(gòu)和動力學特性的模擬結(jié)果的討論,并將計算結(jié)果與已有的實驗結(jié)果進行對比分析。在上一章中

5、已經(jīng)對于氣體水化合物的模擬體系進行了建模,并對一些描述氣體水化合物物理特性的參量進行了計算機語言的闡述。在此基礎上,這一章將對于不同晶格結(jié)構(gòu)的一型和二型氣體水化合物進行比較性的研究,首先對于結(jié)構(gòu)比較簡單的單原子分子稀有氣體水合物進行研究。討論了同一種氣體分子在分別填入一型和二型氣體水化合物之后其動力學特性出現(xiàn)的差異,指出十二面體小籠結(jié)構(gòu)在整個氣體水化合物體系中扮演了重要角色,它與客體分子的耦合作用最為強烈,對于結(jié)構(gòu)不同的一型和二型氣體水

6、化合物的穩(wěn)定機制作用明顯。在同一種水化合物的晶格結(jié)構(gòu)中分別填入直徑不同的單原子氣體分子,考察客體分子大小在整個體系穩(wěn)定中所起到的作用,總結(jié)出當客體分子與優(yōu)勢籠的有效直徑比值在0.745以上時,整個水化合物的水分子晶格結(jié)構(gòu)就可以穩(wěn)定存在。當甲烷分子填入二型氣體水化合物時,恰恰符合以上總結(jié)的規(guī)律。在此基礎上初步預測了二型甲烷氣體水化合物的存在。然后進一步對雙原子分子氮氣形成的氣體水合物的動力學特性以及能量穩(wěn)定性進行模擬,發(fā)現(xiàn)了雙原子分子內(nèi)部

7、振動的激發(fā)峰值,這是由于非單原子氣體的復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的,這為下一步研究甲烷分子在水化合物晶格內(nèi)部振動的動力學特性提供了依據(jù)。同時對氮氣分子在籠型結(jié)構(gòu)中處于不同取向的晶格能量進行計算,發(fā)現(xiàn)氮氣分子在籠型結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有最低勢能取向,并且得到了氮氣水化合物的最大填充率,證明了氮氣分子雙填充結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定存在。在單原子分子氣體水合物和雙原子分子氣體水合物的研究基礎上,最后討論了結(jié)構(gòu)比較復雜的甲烷氣體水合物,對甲烷氣體水合物的氣體填充率和晶格能量關

8、系進行討論,預測二型甲烷氣體水合物在自然界中存在的可能以及在大籠結(jié)構(gòu)中雙填充的可能。
　　 第五章討論了使用分子動力學計算方法對受限于單壁碳納米管中的水分子性質(zhì)的模擬結(jié)果。在第三章中對于碳納米管及其周圍水分子體系的建?；A之上,從管徑和手性兩個因素出發(fā)來討論它們對于碳納米管中水分子靜態(tài)性質(zhì)和動態(tài)性質(zhì)的影響。對于碳納米管水的相變這一靜態(tài)性質(zhì),我們主要從其結(jié)構(gòu)角度入手,考量水分子在常壓和高壓兩種情況下在不同直徑和手性的碳納米管中的相

9、變結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)碳管內(nèi)水分子禁區(qū)的存在,并且隨著壓強的增大這一禁區(qū)從2.8(A)減小至2.4(A)左右。在相同壓強下,隨著碳納米管直徑的增大,其形成的有序冰納米管結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更加復雜的結(jié)構(gòu),并且相變溫度隨管子直徑的增大而降低,出現(xiàn)了與理論預測完全相反的結(jié)果。對于相同的碳納米管,壓強較大的情況下,其內(nèi)部水分子呈現(xiàn)更加密集的分布結(jié)構(gòu),對于(9,9)和(10,10)兩種較粗的管子,高壓下出現(xiàn)了冰納米管與冰鏈的雙層分布結(jié)構(gòu)。通過對水分子偶極矩分布的分析

10、,發(fā)現(xiàn)對于碳納米管水的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分布,管壁與水分子之間的相互作用比水分子之間的氫鍵相互作用對其產(chǎn)生的影響更大。對于不同手性的碳納米管,只要直徑尺度相似,則其內(nèi)部水分子的相變性質(zhì)是一樣的。此外,還對各種不同手性和直徑碳納米管中水分子的平均氫鍵數(shù)進行了計算,發(fā)現(xiàn)其平均氫鍵數(shù)均小于大塊水的狀態(tài),而且管徑越小,氫鍵結(jié)構(gòu)的缺陷越多。也就是說只有碳納米管的直徑對水的相變性質(zhì)產(chǎn)生影響,碳納米管的手性不對其產(chǎn)生影響。對不同直徑的armchair型和zig

11、zag型碳納米管內(nèi)水分子的遷移率進行了計算,比較后發(fā)現(xiàn)對于碳納米管水的動態(tài)輸運性質(zhì),水分子之間的氫鍵相互作用比管壁與水分子之間的相互作用對其影響更大。隨著管徑的增大,相同手性碳管內(nèi)水分子的遷移通量增大,但是遷移率卻減小。在相同直徑的碳納米管內(nèi),水分子在armchair型管內(nèi)部的遷移率要比zigzag型的遷移率大,即碳納米管水的動力學特性不僅僅與碳管的直徑有關,還與碳管的手性有關。這些研究對于碳納米管制備中不同直徑和手性碳管分離的必要性和