氣體水合物的晶格動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、對(duì)氣體水合物研究的很重要的一方面就是氣體水合物的形成和分解過程，以及其穩(wěn)定存在的限制條件。氣體水合物只有在客體分子填充于主體晶格的情況下才能夠穩(wěn)定存在，也就是說(shuō)，在自然界當(dāng)中是不存在氣體水合物的空晶格結(jié)構(gòu)的。在氣體水合物當(dāng)中，由于填充的客體分子與形成主晶格的水分子之間是非化學(xué)計(jì)量的，即客體分子在籠子中比較自由的，所以客體分子與主晶格之間的相互作用和形成主晶格的水分子之間的氫鍵作用相比較要弱的多。盡管如此，客體分子與主體晶格之間的相互作用

2、對(duì)氣體水合物的穩(wěn)定存在還是非常重要的。另一個(gè)令人感興趣的問題是氣體水合物中客體分子的雙占據(jù)對(duì)氣體水合物有著怎樣的影響。這也是氣體水合物研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)。 本文主要利用晶格動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)氙氣、氬氣以及氮?dú)鈿怏w水合物進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，然后將模擬計(jì)算的結(jié)果與非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了模擬的可靠性和準(zhǔn)確性，并對(duì)不同客體分子在不同填充情況下主體晶格與客體分子之間的相互作用進(jìn)行了討論。 在這些氣體水合物的聲子態(tài)密

3、度譜線中都觀察到了兩個(gè)比較寬的激發(fā)峰，這兩個(gè)激發(fā)峰的峰值分別位于7.4meV和10.4meV附近，這和空晶格的譜線非常相似，所以這兩個(gè)激發(fā)峰就被認(rèn)為是氣體水合物的主晶格振動(dòng)模式的指紋特征振動(dòng)位置。對(duì)氙氣氣體水合物的模擬計(jì)算結(jié)果顯示氙氣完全填充情況下的模擬結(jié)果近乎完美的再生了實(shí)驗(yàn)譜中所有特征位置。特別是5.7meV處的特征峰對(duì)應(yīng)于中子散射實(shí)驗(yàn)譜中位于6.1meV的微弱的激發(fā)峰，其來(lái)源在此之前一直沒有結(jié)論而處在被忽略的狀態(tài)。我們的模擬計(jì)算結(jié)

4、果精確而充分的顯示了它產(chǎn)生于小籠中的氙原子振動(dòng)。模擬計(jì)算結(jié)果顯示在小籠中的氙氣分子與主體晶格之間的相互作用要比在大籠中的相互作用更強(qiáng)一些，由此可以認(rèn)為小籠對(duì)氙氣水合物起著更重要的作用。在氮?dú)馑衔镉?jì)算結(jié)果中可以觀察到兩個(gè)明顯的客體振動(dòng)模式，這兩個(gè)激發(fā)峰的峰值分別位于2.0meV和6.2meV處，這兩個(gè)振動(dòng)模式分別對(duì)應(yīng)于氮?dú)夥肿釉诖蠡\和小籠中的振動(dòng)。 同時(shí)，模擬計(jì)算的結(jié)果也確認(rèn)了氮?dú)夥肿釉诖蠡\中的雙占據(jù)導(dǎo)致了一個(gè)新的激發(fā)峰的出現(xiàn)，

5、其峰值位置位于5.6meV處，這個(gè)激發(fā)峰被認(rèn)為是源于氮?dú)夥肿釉诖蠡\中轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)模式的貢獻(xiàn)。這個(gè)振動(dòng)模式的出現(xiàn)會(huì)使氮?dú)馑衔镏写蠡\振動(dòng)模式與小籠振動(dòng)模式之間的差距得到填充。在低頻范圍內(nèi)，即主體晶格與客體分子相互耦合作用的區(qū)域，氙氣水合物和氮?dú)馑衔锏穆曌討B(tài)密度譜線有著明顯的不同。計(jì)算機(jī)模擬的計(jì)算結(jié)果顯示客體分子的振動(dòng)模式以及主晶格與客體分子之間的相互作用在很大程度上依賴于填入到主晶格內(nèi)的客體分子的種類。對(duì)氘化的氮?dú)馑衔镞M(jìn)行的模擬結(jié)果顯示，