生物自組裝納米材料中無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)的分子物理力學(xué)研究.pdf

1、在納尺度下仿生材料的研究是目前的熱點(diǎn)，對(duì)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的仿生研究已成為高新科技領(lǐng)域一門嶄新學(xué)科。在貝殼、動(dòng)物骨架，牙齒中都存在著多層次的精巧的納米結(jié)構(gòu)，而這些生物材料因其礦物晶體在納米尺度而獲得了最優(yōu)化的強(qiáng)度、韌性和穩(wěn)定性。尤其是貝殼等殼類材料，以大約95﹪的文石（碳酸鈣）和5﹪的蛋白質(zhì)構(gòu)成，但其強(qiáng)度是體塊碳酸鈣的2倍多，韌性高達(dá)1000倍。貝殼中的碳酸鈣是以文石和方解石形式存在。本文選取了貝殼中的無機(jī)晶體碳酸鈣進(jìn)行了研究，為進(jìn)

2、一步的研究碳酸鈣與蛋白質(zhì)及其與有機(jī)物的作用奠定基礎(chǔ)。 本文使用了密度泛函理論為基礎(chǔ)的從頭算量子力學(xué)方法，對(duì)建立的碳酸鈣（方解石）晶體的超晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸、剪切及拉-剪耦合模擬計(jì)算。從碳酸鈣晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線看，納米碳酸鈣晶體具有強(qiáng)各向異性和強(qiáng)非線性的特性。在碳酸鈣晶體的超晶胞結(jié)構(gòu)中，[001](C(z))方向的拉伸強(qiáng)度高達(dá)22GPa，與之垂直的其余兩個(gè)方向的強(qiáng)度相當(dāng)，約為15GPa，均數(shù)倍于普通的碳酸鈣礦物的強(qiáng)度。[001]方

3、向的臨界拉伸應(yīng)變高達(dá)69﹪，曲線平滑，說明納米碳酸鈣晶體在該方向上的韌性非常好。納米碳酸鈣晶體的臨界剪切應(yīng)變?chǔ)舩y=28﹪, εyz=40﹪, εzx =31﹪；對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力分別為10.285GPa、9.767GPa和7.343GPa。納米碳酸鈣晶體這種高抗拉、抗剪強(qiáng)度和高韌性是設(shè)計(jì)高強(qiáng)度復(fù)合材料的基礎(chǔ)。在本文工作基礎(chǔ)上研究碳酸鈣晶體與有機(jī)物的相互作用及機(jī)理，有望找到新型高強(qiáng)度的復(fù)合材料。通過對(duì)碳酸鈣晶體的拉伸、剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線

4、彈性部分進(jìn)行擬合，我們得到了碳酸鈣晶體的彈性常數(shù)矩陣，與實(shí)驗(yàn)值比較，有著高度的一致性。而本文首次得到的碳酸鈣晶體的高韌性、強(qiáng)非線性各向異性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為建立碳酸鈣晶體的非線性本構(gòu)關(guān)系和非線性原子間相互作用勢奠定了基礎(chǔ)。 本文還對(duì)不同缺陷的石墨層間的摩擦性能進(jìn)行了系列分析。采用靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法研究了不同旋轉(zhuǎn)角度，缺陷及不同的層間距下石墨層的摩擦性能。結(jié)果表明石墨層的平均摩擦力隨層間距增大而減小。層間距小于0.34n