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基于粗粒化分子动力学的自支撑石墨烯镜面屈曲研究

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物理学报 2023年第24期72卷 240-248页

作者：续文龙开玥张锴郑百林同济大学航空航天与力学学院上海200092 上海工程技术大学数理与统计学院上海201620

在扫描隧道显微镜的观测中发现了自支撑石墨烯膜镜面屈曲这一独特现象,目前尚少有研究人员对其进行系统性的研究.对于这种面外变形行为,不论是在实验观测,还是在能量收集系统这种潜在的应用形式中,石墨烯的尺寸都需要达到微米级.先前的... 详细信息

在扫描隧道显微镜的观测中发现了自支撑石墨烯膜镜面屈曲这一独特现象,目前尚少有研究人员对其进行系统性的研究.对于这种面外变形行为,不论是在实验观测,还是在能量收集系统这种潜在的应用形式中,石墨烯的尺寸都需要达到微米级.先前的研究表明,传统分子动力学适用于纳米尺度石墨烯的计算与分析,由于其计算方法的限制,在处理微米级模型时容易出现计算效率低、耗时长等问题.为了研究微米级尺寸石墨烯膜镜面屈曲现象,本文使用粗粒化分子动力学方法,首先验证该方法的适用性,然后分别施加不同大小的机械载荷和温度载荷在扇形截面不同高跨比的石墨烯膜上以分析各因素带来的影响.计算结果表明机械载荷作用下各个高跨比石墨烯均可以发生镜面屈曲现象,且临界载荷随高跨比的增大而增大;温度载荷作用下,高跨比较小的石墨烯能够发生完全翻转现象,大高跨比情况下温度升高使中心高度下降,但完全翻转较难发生.研究分析各因素对于石墨烯镜面屈曲现象的影响,可以加深对这一特殊现象了解的同时,为能量收集系统的设计提供理论指导.

关键词：粗粒化分子动力学镜面屈曲石墨烯

石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的拉伸性能:粗粒化分子动力学模拟

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复合材料学报 2022年第6期39卷 2962-2973页

作者：侯国珍陈小明丁鹏马河川张洁邵金友吴建洋西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学电子与信息工程学院西安710049 厦门大学物理科学与技术学院厦门361005

高强度是复合材料设计追求的重要目标,自然界中的珍珠层具有优异的力学性能,受其复杂的层次结构的启发,设计了一种石墨烯交错排布增强聚甲基丙烯酸甲酯的纳米复合材料。利用粗粒化分子动力学模拟,系统地研究了拉伸载荷作用下石墨烯的二... 详细信息

高强度是复合材料设计追求的重要目标,自然界中的珍珠层具有优异的力学性能,受其复杂的层次结构的启发,设计了一种石墨烯交错排布增强聚甲基丙烯酸甲酯的纳米复合材料。利用粗粒化分子动力学模拟,系统地研究了拉伸载荷作用下石墨烯的二维几何形状、层数、空间排布对纳米复合材料整体力学性能的影响。结果表明,不同几何形状的石墨烯对复合材料的增强效果有很大的差异,其中,矩形与锯齿形接近,都强于梯形石墨烯;存在最佳的石墨烯层数使复合材料的整体拉伸力学性能最强;减少石墨烯层间距离或增加重叠距离,都可提升其力学性能。总之,现有的研究结果揭示了各个因素的影响规律及微观机制,为设计具有目标性能的纳米复合材料提供了理论指导。

关键词：粗粒化分子动力学石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料拉伸几何形状力学性能

双酚A-聚碳酸酯湿热老化链内/链端水解反应机理的粗粒化分子动力学-动力学蒙特卡洛模拟

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高分子材料科学与工程 2021年第1期37卷 109-117页

作者：胡平刘强黄亚江李光宪四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室四川成都610065

提出了用粗粒化分子动力学与动力学蒙特卡洛相结合的模拟方法(C-K方法),在较大空间和时间尺度下研究了不同初始聚合度及水含量的聚碳酸酯(PC)的湿热老化规律及链内/链端水解分子机理。发现在多数条件下PC的水解反应主要发生在链内,且链... 详细信息

提出了用粗粒化分子动力学与动力学蒙特卡洛相结合的模拟方法(C-K方法),在较大空间和时间尺度下研究了不同初始聚合度及水含量的聚碳酸酯(PC)的湿热老化规律及链内/链端水解分子机理。发现在多数条件下PC的水解反应主要发生在链内,且链内水解位置多位于距链端2~20聚合度处,这可能与链内反应位点远多于链端有关。降低PC的初始聚合度使得老化前期链端水解比例上升,在一定范围内降低PC的水含量则对链端/链内水解机理影响不大。

关键词：粗粒化分子动力学动力学蒙特卡洛聚碳酸酯湿热老化

用粗粒化分子动力学方法研究蜂毒素与磷脂双分子层的相互作用

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北京工业大学学报 2017年第12期43卷 1794-1801页

作者：孙庭广韦炳生程谦伟广西科技大学生物与化学工程学院广西柳州545006

为了了解蜂毒素的生物活性机理,采用粗粒化分子动力学模拟方法研究了蜂毒素在水环境中的性质以及与多种磷脂双分子层膜的相互作用.结果表明:无论是在水环境还是在磷脂双分子层中,蜂毒素都能形成聚集体.在每个聚集体中,蜂毒素分子之间的... 详细信息

为了了解蜂毒素的生物活性机理,采用粗粒化分子动力学模拟方法研究了蜂毒素在水环境中的性质以及与多种磷脂双分子层膜的相互作用.结果表明:无论是在水环境还是在磷脂双分子层中,蜂毒素都能形成聚集体.在每个聚集体中,蜂毒素分子之间的相对位置不断变化,会在蜂毒素分子之间形成无特定形状的空隙,从而在膜内产生暂时的孔洞或者跨膜通道.蜂毒素分子的N端和C端带正电荷的残基与磷脂膜带负电荷的磷脂头之间的静电相互作用是蜂毒素发挥功能的关键因素.

关键词：蜂毒素粗粒化分子动力学磷脂双分子层

粗粒化分子动力学研究液晶分子在相界面的取向转变

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粗粒化分子动力学研究液晶分子在相界面的取向转变

分散剂对离聚物分布及聚合物膜界面演变影响的粗粒化分子动力学研究

中国化学会第27届学术年会

作者：欧阳宇廷郭洪霞中国科学院化学研究所

＜正＞科学家在实验中发现,液晶水界面上吸附了表面活性剂后,液晶的取向会发生变化。这种现象可以应用在生物传感器上,即通过液晶取向发生改变后引起的一系列光电等物理性质的变化,检测

关键词：粗粒化分子动力学液晶-水界面双亲分子取向转变

来源： cnki会议评论

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分散剂对离聚物分布及聚合物膜界面演变影响的粗粒化分子动力学研...

作者：潘继玲重庆大学

学位级别：硕士

膜电极是质子交换膜燃料电池的关键部件,包括催化剂层、质子交换膜和气体扩散层,是多相物质传输、能量转换和发生电化学反应的主要场所。膜电极的制备过程中需要用到催化剂油墨,其中油墨中的溶剂不仅对离聚物的分散形态有直接影响,进而... 详细信息

膜电极是质子交换膜燃料电池的关键部件,包括催化剂层、质子交换膜和气体扩散层,是多相物质传输、能量转换和发生电化学反应的主要场所。膜电极的制备过程中需要用到催化剂油墨,其中油墨中的溶剂不仅对离聚物的分散形态有直接影响,进而影响催化层中质子的传导率,还会使聚合物膜发生不同程度的溶胀,影响膜电极的输出性能。据此,本文运用粗粒化分子动力学模拟研究了含不同分散剂的溶剂对离聚物分布和溶剂-聚合物膜界面演变的影响,为实验选择适宜的分散剂以制备性能良好的膜电极提供理论依据。(1)探究不同极性的分散剂对离聚物(Nafion树脂)分布的影响。溶剂由水与分散剂组成,其中分散剂包括乙酰胺、乙二醇、乙酸、乙醇、异丙醇、丙硫醇和2-丁炔。形态结构图发现,极性分散剂与水分布均匀,非极性分散剂与水之间则出现了明显的分层现象。Nafion树脂形成的团簇结构表明,Nafion树脂在极性分散剂中形成了更多更小的团簇,且Nafion树脂的回转半径更大,说明Nafion链也更加舒展。随着分散剂极性的增加,链愈加舒展。另外,通过径向分布函数和体系截面图发现Nafion树脂在不同分散剂中的分布:含非极性分散剂的溶剂中,水与分散剂发生分层现象,Nafion链靠近分散剂层,呈现较卷曲的状态;而极性分散剂的溶剂中,Nafion链以更舒展的形态分布在溶剂层中。(2)研究不同分散剂(乙酰胺和丙硫醇)对溶剂-聚合物膜(全氟磺酸膜,简称Nafion膜)界面演变的影响。体系结构随时间的演变发现,非极性分散剂丙硫醇中溶剂与Nafion膜的相互渗透速度明显高于其在极性分散剂乙酰胺和纯水中的渗透速度。Nafion膜的链回转半径与数密度随时间的演变证实,极性分散剂乙酰胺和纯水中的Nafion链于1800 ns后逐渐舒展,而非极性分散剂丙硫醇中Nafion链于400ns左右就开始舒展,且界面层中膜数密度随时间呈显著的上升趋势。溶剂的均方位移也发现丙硫醇的溶剂具有较乙酰胺的溶剂和纯水溶剂更快的扩散速度,证实丙硫醇会导致Nafion膜的快速扩散,发生溶胀。溶胀机制分析发现,丙硫醇利用更多小尺寸的团簇,快速渗透到Nafion膜中,形成较连续的Nafion膜的扩散通道,诱导膜发生溶胀;而乙酰胺因团簇尺寸更大难以发生渗透扩散,进而也阻止了Nafion膜的扩散溶胀。

关键词：膜电极粗粒化分子动力学催化剂油墨分散剂质子交换膜

基于Gay-Berne势能模型的粗粒化分子动力学模拟研究有机分子体系的各向异性相态

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基于Gay-Berne势能模型的粗粒化分子动力学模拟研究有机分子体系...

作者：谢桂龙北京化工大学

学位级别：硕士

粗粒化分子动力学模拟由于在计算效率和模拟尺度上的优势，已成为分子模拟研究各种有机分子体系的有力工具。特别是在模拟生物大分子体系时，相对全原子的分子动力学和量子力学，其计算的速度优势尤为明显。然而，研究者开发的粗粒化模... 详细信息

粗粒化分子动力学模拟由于在计算效率和模拟尺度上的优势，已成为分子模拟研究各种有机分子体系的有力工具。特别是在模拟生物大分子体系时，相对全原子的分子动力学和量子力学，其计算的速度优势尤为明显。然而，研究者开发的粗粒化模型往往只能针对特定的体系，具有一定的局限性。因此，对目前已有的较为通用的粗粒化势能模型的推广和改进是件很有意义的研究工作。Gay-Berne势能模型由于同时考虑势阱深度与分子形状的各向异性，而在模拟具有各向异性结构特点的热致液晶分子体系取得了巨大的成功。然而，不只是液晶分子存在各向异性相，很多其他类型的有机分子也有各项异性的结构特点。针对那些非液晶的各向异性分子，有必要考察移植Gay-Berne势能模型可行性的。本文建立了基于Gay-Berne势能的小尺度单链珠粗粒化模型用于描述正丁醇分子的形状，正丁醇分子的结构由密度泛函理论计算优化得到。由于正丁醇分子相比液晶分子，分子的长宽比即延伸率偏小，因此需要重新设定一套Gay-Berne势能作用参数。通过在四种特殊构象（边对边、头对头、交叉和T型）下将由密度泛函理论计算得到的势能数据与Gay-Berne势能函数表达式相拟合，实现GB势能模型的参数化。然后运用分子动力学模拟了液态正丁醇的冷却过程，模拟条件如密度等尽量接近实验条件。通过分析体系的热力学性质和结构性质随温度下降出现的不连续变化，我们发现了类似于实验得到的玻璃态相并估计出玻璃态相变点为120±10K，与实验值（120±1K）符合较好。研究结果表明这种分子尺度的粗粒化模型在模拟像正丁醇分子这样的小型有机分子的可行性。对于分子量比常规液晶分子还大的双亲性分子，本文还运用了一种改进的Gay-Berne势能模型来实现其粗粒化。这种改进的模型考虑了双亲性分子的二元结构特点，即亲水端与憎水端与水溶剂分子的吸引作用明显不同。通过运用基于这种改进的Gay-Berne势能的粗粒化分子动力学模拟，本文得到了双亲性分子在不同浓度下的自组装相并讨论了低浓度下双亲性分子的形状对其自组装相行为的影响。最后还研究了同时含水和油两种溶剂情况下的双亲性分子的自组装相行为。

关键词： Gay-Berne势能粗粒化分子动力学各向异性液晶玻璃态双亲性分子自组装

基于粗粒化分子动力学的C-S-H凝胶力学性能模拟研究

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基于粗粒化分子动力学的C-S-H凝胶力学性能模拟研究

作者：李美义山东农业大学

学位级别：硕士

混凝土作为最重要的建筑材料之一而被广泛用于建筑工程中,混凝土材料的力学性能主要取决于水泥水化产物,水化硅酸钙(C-S-H)凝胶是水泥水化过程中最主要的水化产物和净浆强度来源,在很大程度上控制着混凝土的强度和耐久性。在宏观尺度下... 详细信息

混凝土作为最重要的建筑材料之一而被广泛用于建筑工程中,混凝土材料的力学性能主要取决于水泥水化产物,水化硅酸钙(C-S-H)凝胶是水泥水化过程中最主要的水化产物和净浆强度来源,在很大程度上控制着混凝土的强度和耐久性。在宏观尺度下,关于水泥基材料的理论及实验研究已经较为详细。在分子尺度下C-S-H凝胶模型表现出分层现象,在x、y、z三个方向表现出明显的各向异性,这种各向异性与宏观上的各向同性是完全不同的,并且分子模型无法体现C-S-H凝胶密度差异和凝胶孔的存在。在介观尺度下对于C-S-H凝胶力学性能的研究大多以球形颗粒为主,而对于非球形颗粒组成的C-S-H凝胶结构研究相对较少。最近的研究通过对水泥浆体进行纳米压痕实验检测到凝胶颗粒在压痕过程中的择优取向。为了表征颗粒的取向问题,本文基于粗粒化分子动力学方法采用椭球形粗粒化C-S-H凝胶模型对C-S-H凝胶结构进行力学性能模拟分析,主要工作和结论如下:(1)对C-S-H凝胶粗粒化模型在x、y、z三个方向进行单轴拉伸、压缩以及剪切力学行为模拟分析。结果表明:C-S-H凝胶在三个方向的应力应变曲线较为类似,说明了三个方向上的失效机理较为接近,介观尺度下C-S-H凝胶结构趋向于各向同性。以变化系数表示力学性能在三个方向上的离散性,分析数据得出,杨氏模量的变化系数远小于峰值应力的变化系数,此外,三个方向在压缩荷载下的峰值应力大于在拉伸荷载下的峰值应力。(2)建立了纳米压痕基体模型,采用虚拟压头和金刚石压头对C-S-H凝胶模型进行纳米压痕模拟研究,整个模拟过程包括加载和卸载两个阶段,研究了纳米压痕的载荷-深度曲线以及压痕过程中基体的变形行为。深入研究了压痕深度、加载速度以及压头半径对纳米压痕过程的影响。结果表明:随着压痕深度、加载速度和压头半径的增大,最大位移处产生的荷载,压痕模量和压痕硬度均呈现增大的趋势。通过比较三个方向上的荷载位移曲线、压痕模量和硬度,表明C-S-H凝胶在纳米压痕过程中趋于各向同性。在加载和卸载阶段,C-S-H凝胶模型发生了明显的弹性和塑性变形行为。加载完成后压头底部接触的粒子位移最大,在粒子位移图中可以明显的观测到C-S-H凝胶的弹性和塑性变形。(3)建立了缺陷长度为0到57 nm以及随机缺陷的C-S-H凝胶模型,计算了C-SH凝胶的弹性力学参数以及单轴拉伸和剪切时的应力应变关系,并通过应力应变特征参数进一步分析了缺陷对C-S-H凝胶不同受力状态下力学性能的影响程度。结果表明:C-S-H凝胶中纳米级结构的凝胶孔缺陷不利于其力学性能。杨氏模量和峰值应力随着CS-H凝胶初始缺陷长度的增加而呈现下降的趋势,缺陷长度越大,杨氏模量和峰值应力下降越明显。含随机缺陷C-S-H凝胶结构的杨氏模量和峰值应力均有不同程度的降低。多个随机缺陷的C-S-H凝胶的杨氏模量和峰值应力值在一定范围内波动,剪切载荷作用下C-S-H凝胶的杨氏模量和峰值应力值的波动程度远大于单轴拉伸载荷作用下的波动程度。

关键词：粗粒化分子动力学 C-S-H凝胶力学性能纳米压痕凝胶孔缺陷

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沥青体系的分子动力学研究进展及展望

材料导报 2020年第19期34卷 19083-19093页

作者：何亮李冠男郑雨丰 Alessio Alexiadis Jan Valentin Karol J Kowalski 重庆交通大学交通土建材料国家地方联合实验室重庆400074 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨150090 伯明翰大学化学工程学院伯明翰B152TT 捷克理工大学土木工程学院布拉格16629 华沙理工大学土木工程学院华沙00-637

随着我国道路工程的飞速发展,沥青混凝土在路面工程中有越来越广泛的应用。近年来,沥青材料的研究已不仅局限于宏观性能试验,还拓展到介观与微观层面对沥青材料进行多尺度研究。分子动力学方法属于微观研究方法的一种,它是通过积分算法... 详细信息

随着我国道路工程的飞速发展,沥青混凝土在路面工程中有越来越广泛的应用。近年来,沥青材料的研究已不仅局限于宏观性能试验,还拓展到介观与微观层面对沥青材料进行多尺度研究。分子动力学方法属于微观研究方法的一种,它是通过积分算法模拟研究对象在不同条件下的分子运动轨迹与体系能量变化,并分析模拟数据得出结论。该方法已被广泛应用于分子尺度下路面沥青材料设计与微观机理研究,其优势在于从分子运动的角度解释沥青体系的各种现象与性质。因此,许多学者采用宏观试验和分子动力学模拟相结合的多尺度方法研究沥青体系,这将推动沥青材料的进一步发展。本文对沥青体系的分子动力学进行了全面的分析,构建了沥青体系分子动力学模型的一般平衡步骤,提出采用密度、玻璃态转变温度、黏度、溶解度参数等对沥青体系分子动力学模型的有效性进行验证。综合分析了分子动力学方法对沥青纳米聚集、自修复、改性、老化、界面黏附等行为机理的研究进展,提出采用耗散粒子动力学与粗粒化分子动力学对现阶段沥青体系分子动力学的研究尺度进行扩展。研究结果表明,沥青类材料的分子动力学方法还处于早期探索阶段,但其发展潜力极大,利用分子动力学方法研究沥青体系各组分分子的动力学行为,可揭示常规试验无法观察到的分子含时运动规律,预测沥青材料的宏观性能并针对沥青的分子结构提出其路用性能改善措施,从分子尺度上推动沥青路面多尺度试验仿真方法的发展与完善,为沥青材料基因组的开发研究奠定基础。

关键词：分子动力学道路沥青耗散粒子动力学粗粒化分子动力学