收藏本站
《中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

颗粒聚集生长过程的动力学模拟

王雪  
【摘要】:纳米材料的尺寸、结构和形貌等几何参数是决定其特殊物理和化学性能的关键因素,研究纳米结构的形成过程与机制对纳米科学的发展和纳米材料的广泛应用具有重要意义。传统结晶动力学理论认为颗粒的形成是通过单体逐渐累加完成的,其中包含成核和生长两个阶段,并相继形成了 LaMer机理、Ostwald熟化、Lifshitz-Slyozov-Wagner机理和Watzky-Finke机理等著名的经典结晶理论。尽管经典成核-生长理论取得了巨大的成功,但是随着越来越多的纳米结构被制备出来,人们发现很多实验现象无法通过经典结晶机制加以解释或预测。因此,人们提到其中非传统结晶模型,它是一种以纳米颗粒或团簇为单元通过聚并生长的结晶模式。由于生长单元和演化尺度的改变,传统结晶理论已经不再适用,人们据此提出了一些新的生长机制,如取向连接,并发展出一系列的检测技术用于表征这种非传统结晶的特点。但是,受检测仪器和技术的时间、空间分辨能力的限制,无法获取颗粒聚并的动态过程以及颗粒间相互作用的变化等关键信息,使得我们无法从实验上深入分析非传统结晶的内在机制。随着计算机的运算能力突飞猛进,尤其是超级计算机的出现以及各种模拟算法和模型的发展,使得我们可以借助模拟的方法来弥补实验研究的不足。近年来人们逐渐意识到动力学过程对材料形貌演化的重要性,发现材料生长过程中所涉及的反应过程和扩散过程是材料生长中最具代表性的两个动力学过程。所以本文以银纳米颗粒的聚集生长为例,采用布朗动力学和分子动力学相结合的方法,对纳米及亚纳米尺度下银颗粒的聚并过程进行动力学模拟,分别构建了能够跟踪微观尺度上颗粒间相互作用的计算模型以及能够跟踪分子/原子尺度上颗粒表面原子间相互作用的计算模型,系统地研究了颗粒的聚并过程以及影响该过程的主要因素。主要有以下几点发现与成果:(1)颗粒聚集模型的构建。模拟纳米颗粒在不同聚集和扩散条件下的聚集行为,考虑到计算尺度以及计算时间,选取纳米颗粒和亚纳米颗粒两个颗粒尺度,引入布朗动力学(颗粒尺度模拟方法)以及分子动力学方法(原子/分子尺度模拟方法),不仅实现对纳米颗粒聚集过程的实时观测,还可以定量描述溶剂粘度、溶液离子强度等外界因素对颗粒聚并过程的影响。纳米级别的颗粒聚集采用DLVO作用势,此作用势包含颗粒间的范德华吸引势以及双电层排斥势,能够很好地反映纳米颗粒在溶液中的相互作用。同时,为提高计算效率,所用参数均进行归一化处理,以节省计算时间。因经典的DLVO作用势仅适用于球形颗粒,不能充分体现颗粒聚集过程的取向连接过程,所以对于亚纳米级别的颗粒选用全原子模型。选用全原子模型的颗粒为多面体结构,具有晶面。原子间相互作用选用EAM多体势,同时鉴于单体结构的稳定性,选取正二十面体和截角八面体作为聚集单元,正二十面体颗粒表面全部由(111)晶面构成,用于研究各向同性单元的聚并规律;而截角八面体由相对面积各异的(111)和(100)晶面构成,用于考察不同晶面间的各向异性聚集过程。(2)基于DLVO作用势的布朗动力学模拟纳米尺度下颗粒间的聚并过程。探索颗粒自身尺寸、聚集(溶液离子强度、颗粒表面电势)以及扩散(溶剂粘度)等因素对颗粒聚集速率(单体颗粒随时间的演化规律)、聚集体生长速率(聚集体平均尺寸及最大尺寸随时间的演化规律)以及聚集体数目等的影响,并对颗粒聚并生长过程进行定性及定量分析。在相同环境下,粒径较大的颗粒在溶液中的随机运动较弱,传质较慢且颗粒聚集所需跨越的能势垒较高,颗粒间聚集难度较大;而小颗粒布朗运动更剧烈,传质较快,且小颗粒间聚集所需跨越的能势垒较低,因此小颗粒聚并的概率要大于大颗粒;由于大小颗粒聚并难易程度的不同,颗粒聚并所得聚集体的生长速率均随着颗粒直径的增大而降低。溶液的离子强度与颗粒的表面电势决定了颗粒聚并所需跨越能势垒的高低,因此本文通过溶液离子强度与颗粒表面电势的调控聚集快慢。颗粒表面电势越小或溶液离子强度越大(双电层越薄),颗粒聚集所需跨越的能势垒越低,即聚集作用越强,颗粒间有效碰撞概率增加,聚集速率增大,聚集体生长速率也随之增大,颗粒间的聚并越容易。因溶剂作用于运动颗粒的曳力正比于颗粒的尺寸,所以在尺度较大的体系中,粘度对颗粒聚并过程的影响更加显著,粘度增加,颗粒扩散率大为降低,颗粒间碰撞概率和聚集速率明显减小,同样聚集体生长速率也随之减小。(3)分子动力学模拟亚纳米颗粒聚集生长过程。通过对不同聚集单元(正二十面体和截角八面体)在纯水中聚集过程的观察,得知所有聚集过程都是先由棱边原子接触开始,棱边原子形成的“接触点”将两颗粒连接,颗粒之间形成转轴,通过转轴转动完成颗粒面与面之间的融合。在完全相同的模拟条件下,截角八面体聚集体内部所含单体个数远大于正二十面体,说明含有高能面(100)的截角八面体更容易聚集;但由正二十面体形成的聚集体对称性更好。通过聚集路径分析发现,造成这种聚集差异的主要原因是聚集单元的表面能,单元特定晶面面积越大,该晶面的表面能就越大,聚集后体系能量下降越多,颗粒间优先在此晶面上完成聚集。同时,通过调节体系温度和溶剂粘度改变聚集单元的扩散能力,发现当扩散慢时,颗粒在溶液中运动缓慢,颗粒间有足够的弛豫时间,从而形成完美的晶向匹配,聚并成较为规整的结构;当扩散加快时则相反,聚集体内部结构的无序性增加。(4)本文最后在纳米和亚纳米两个尺度颗粒聚集生长的模拟工作基础上,设想了通过耦合两个尺度对应的模型、方法,模拟建立统一的颗粒聚并生长计算模型:颗粒间距离较近时选用全原子模型算法,距离较远时则自动切换至DLVO模型。并从作用势的角度证实了耦合模型的可行性。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB383.1

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 蔡文生,林翼,邵学广;团簇研究中的原子间势函数[J];化学进展;2005年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 鲁晶;不同尺度下纳米TiO_2在水中聚集和沉积特性研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王易生;薄膜沉积过程中成核生长机理及调控的分子模拟研究[D];哈尔滨理工大学;2015年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 孙彬;边辉;王培忠;;基于势函数点分布调整的SIFT图像配准算法[J];国土资源遥感;2015年03期
2 吴夏;程文;;动态格点搜索的改进算法用于团簇结构快速优化[J];计算机与应用化学;2014年08期
3 吴夏;;稀有气体Ar_(25)(KrXe)_(50)团簇结构[J];计算机与应用化学;2013年09期
4 吴夏;吴根华;陈友存;;三元Ag-Pd-Pt团簇结构优化[J];计算机与应用化学;2012年02期
5 李红霞;强洪夫;;耗散粒子动力学模拟方法的发展和应用[J];力学进展;2009年02期
6 刘艳侠;孙佳佳;高岩;顾慧;刘磊;;关于Lennard-Jones型势函数参数的几种拟合方法[J];辽宁大学学报(自然科学版);2008年03期
7 金彦;杨忠志;;用从头算和ABEEM/MM法研究水分子团簇增长方式[J];河南科技大学学报(自然科学版);2007年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王雪;颗粒聚集生长过程的动力学模拟[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2018年
2 王景涛;换热表面纳米流体颗粒污垢沉积特性研究[D];东北电力大学;2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 陈佳;微结构滤光片的研制[D];西安工业大学;2017年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 李琰,朱长纯,姚振华;碳纳米管的分子动力学模拟[J];微细加工技术;2003年01期
2 潘必才;包含键环境修正的硅氢紧束缚势模型[J];物理学报;2001年02期
3 王广厚;遗传算法研究原子团簇[J];物理学进展;2000年03期
4 王广厚;团簇物理的新进展(Ⅰ)[J];物理学进展;1994年02期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 吴春亚;钛系材料表面结构对多肽链吸附行为影响的研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 戴思畅;宋凌志;;石墨烯导热率分子动力学模拟研究进展[J];广州化工;2017年09期
2 高海洋;云小玲;钟睿博;刘雨双;袁鸣;宋波;张峰;;分子动力学模拟在核酸研究领域的应用[J];基因组学与应用生物学;2017年06期
3 许建业;刘富良;林添坂;孙大权;;沥青混凝土疲劳损伤自愈合行为研究进展(4)——沥青自愈合分子动力学模拟[J];石油沥青;2016年02期
4 徐卫;赵泰磊;;高分子链玻璃化转变行为的分子动力学模拟研究[J];科技展望;2016年15期
5 朱礼洋;王壮飞;何辉;田国新;郭建华;;超临界CO_2中锕镧系络合行为及其分子动力学模拟[J];中国原子能科学研究院年报;2016年00期
6 王玉花;李平;孙巧;王卫华;;聚对苯二甲酸乙二醇酯的玻璃化转变行为的分子动力学模拟[J];曲阜师范大学学报(自然科学版);2014年01期
7 吴方棣;郑辉东;刘俊劭;郑细鸣;;分子动力学模拟在化工中的应用进展[J];重庆理工大学学报(自然科学);2013年10期
8 马云霞;赵慧霞;杨晓峰;;分子动力学模拟的基本步骤及误差分析[J];硅谷;2012年03期
9 赵慧霞;马云霞;杨晓峰;;分子动力学模拟的计算及应用[J];硅谷;2012年04期
10 周昌林;黎多来;李东凯;孙振范;冯华杰;;氨的自扩散系数的分子动力学模拟研究[J];广东化工;2012年13期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 黄梦楠;钟世钧;;α-葡萄糖苷酶抑制剂的虚拟筛选和分子动力学模拟[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第十九分会:化学中的量子与经典动力学[C];2016年
2 陈贻建;周洪涛;葛际江;;油水界面阴离子表面活性剂性能的动力学模拟[A];中国化学会第十五届胶体与界面化学会议论文集(第六分会)[C];2015年
3 王雯婕;吴思晋;张可人;;基于分子对接及动力学模拟技术的靶向活性小分子研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
4 刘英哲;邵学广;蔡文生;;海藻酸可逆缠绕碳纳米管的分子动力学模拟研究[A];中国化学会第27届学术年会第15分会场摘要集[C];2010年
5 顾飘;卫海燕;;碳纳米管与多肽相互作用的分子动力学模拟[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
6 邹鲲;胡元中;温诗铸;;分子动力学模拟在超薄膜润滑中的应用[A];第六届全国摩擦学学术会议论文集(上册)[C];1997年
7 李敏;侯氢;;氦泡在钨金属表面行为的分子动力学模拟[A];第十二届全国核靶技术学术交流会会议论文摘要集[C];2013年
8 黄庆生;吴洪明;吴建华;;用纳米孔道测定蛋白质序列的分子动力学模拟[A];第八届全国生物力学学术会议论文集[C];2006年
9 宋海洋;李立峰;冯锋;;凝聚双壁碳纳米管扭曲性能的动力学模拟[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 姜舟婷;吴太权;徐鹏;;聚乙烯链折叠过程的分子动力学模拟研究[A];中国化学会第27届学术年会第07分会场摘要集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前7条
1 记者 耿挺;铝如何对人体造成伤害[N];上海科技报;2014年
2 中国青年政治学院 刘英华;解惑边陲名校[N];中国电脑教育报;2006年
3 本报记者 董杰;在计算机上做化学实验[N];吉林日报;2015年
4 记者 桂运安;科学家揭示大气中硫酸氢铵形成机理[N];安徽日报;2016年
5 见习记者  钟可芬 本报记者 刘正午;IT巨头伸手医药[N];医药经济报;2006年
6 风天;IT技术新药研发显身手[N];中华工商时报;2005年
7 记者 刘湘竹;轻松将二氧化碳“变废为宝”[N];大连日报;2013年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李敬;复杂多相体系中小分子跨界面行为的分子动力学模拟研究[D];北京化工大学;2018年
2 石美浓;微纳层叠功能复合材料的界面效应分子动力学模拟及加工装备研究[D];北京化工大学;2017年
3 阳弘江;若干分子电子碰撞电离解离过程的分子动力学模拟研究[D];中国科学技术大学;2018年
4 王雪;颗粒聚集生长过程的动力学模拟[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2018年
5 李垚;离子液体溶解生物质的分子模拟研究[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2017年
6 尚旭;蛋白质分子结合折叠与构象转变的分子动力学模拟研究[D];吉林大学;2018年
7 杨华;高分子体系共混和结晶及正庚烷层在石墨表面熔化的分子动力学模拟[D];吉林大学;2005年
8 赵文娜;6-羟甲基-7,8-二氢喋呤磷酸化酶的分子对接和分子动力学模拟研究[D];浙江大学;2005年
9 黄博达;水分子与离子晶体填充碳纳米管的动力学模拟及其电子学、光学特性研究[D];山东大学;2005年
10 程东;Cu/Ni纳米多层膜微观强化机理及微摩擦学特性的分子动力学模拟[D];大连海事大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨义光;突触素Ⅰ结构与丙烯酰胺神经毒效应关系研究[D];中国疾病预防控制中心;2018年
2 王文辉;液滴润湿微观过程的分子动力学模拟[D];哈尔滨工程大学;2018年
3 马慧姝;人体碳酸酐酶Ⅱ构象变化的分子动力学模拟研究[D];华中师范大学;2018年
4 张吉成;受限体系下水的输运[D];西北农林科技大学;2018年
5 郭芮含;单质子化精氨酸分解机理的化学动力学模拟[D];哈尔滨工业大学;2018年
6 杜骏;耐药相关蛋白的理论与计算研究[D];华东师范大学;2018年
7 梁晶;unliganded和liganded HIV-1 gp120的分子动力学模拟比较研究[D];云南大学;2017年
8 于秀;非编码RNA ToxI与蛋白质ToxN作用的分子动力学模拟研究[D];山东师范大学;2018年
9 袁驰文;钨中近表面氦泡行为的分子动力学模拟[D];广西大学;2018年
10 王志正;LSD1抑制剂的3D-QSAR,分子对接和分子动力学模拟研究[D];郑州大学;2018年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026