【摘要】：外電場下水的表面性質(zhì)的研究,對于認識許多化學(xué)及生物過程具有重要意義。本文采用了恒定電勢(CPM)分子動力學(xué)(MD)方法模擬研究外電場下的水,主要圍繞外電場對水的表面微觀結(jié)構(gòu)、動力學(xué)行為、表面電勢、極化行為、以及表面張力的影響等問題開展了系統(tǒng)性的理論模擬研究。主要的研究成果如下:1.應(yīng)用分子動力學(xué)方法,結(jié)合本征抽樣方法(ISM)系統(tǒng)研究了水的表面結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)Gibbs-dividing分界面不同,通過對水表面的本征分析,成功獲取了模擬體系水隨時間變化的的瞬時表面,發(fā)現(xiàn)了水表面附近的分層結(jié)構(gòu);獲得了水表面瞬時漲落的幅度,建立了表面毛細漲落幅度與波失的關(guān)聯(lián);獲得了基于水的本征表面計算的各項熱力學(xué)性質(zhì)(如壓強分布、應(yīng)力分布、表面張力等),證明了液體水表面分子取向和熱力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性。本征表面的確定對于液體水表面的微觀精細結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)性質(zhì)的分析研究具有重要意義。2.采用恒定電勢方法(CPM),進行了常溫外電場下液體水的分子動力學(xué)模擬。嚴格控制了模擬外場中極板的電勢,使得極板間保持恒定的電勢差,從而滿足對體系施加的恒定外電場條件。隨著外電場增強,水表面及bulk水的密度分布對外電場的響應(yīng)并不明顯;表面處的水分子取向、偶極方向由各向異性逐漸趨向一致;表面應(yīng)力、壓強產(chǎn)生了非常明顯的波動,在陰極和陽極附近水的表面壓強和應(yīng)力開始出現(xiàn)越來越明顯的差異。另外,我們發(fā)現(xiàn)當極板間電勢差?Ψ2V,水的bulk區(qū)域產(chǎn)生極化現(xiàn)象,水的表面結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)性質(zhì)變化逐漸顯著。3.系統(tǒng)研究了外電場對水的表面電勢的影響,獲得了外電場與水表面電勢的變化規(guī)律。通過探針法獲得了沿電場方向體系的一維電勢分布,發(fā)現(xiàn)當極板間電勢差(?Ψ2V)時,水的bulk區(qū)域出現(xiàn)電勢梯度。在零電場場下水的陰極和陽極附近表面電勢是相同的;隨著外電場的增強,水的表面電勢開始出現(xiàn)差異;陰極附近水的表面電勢逐漸降低,而陽極附近水的表面電勢逐漸升高。4.我們通過基于毛細波理論的本征統(tǒng)計視角和基于Gibbs-dividing分界面的平均統(tǒng)計視角,系統(tǒng)研究了在不同外電場下水的表面結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì),對比了兩種不同定義下(力學(xué)定義和毛細波理論定義)的表面張力與外電場的標度關(guān)系。通過計算分析,發(fā)現(xiàn)本征統(tǒng)計視角能更精細的反映水的表面結(jié)構(gòu),特別是在外電場干擾下水的表面結(jié)構(gòu)的變化和熱力學(xué)性質(zhì)的變化。在零電場下,兩種定義下的表面張力計算結(jié)果基本相同;隨著外電場的增強,在低電場下力學(xué)定義下的表面張力和毛細波理論定義下的表面張力具有相同遞減的趨勢;在高電場下,兩者開始產(chǎn)生差異。綜上,本文通過恒定電勢的分子動力學(xué)模擬了外電場下極性分子液體水,從本征和平均兩種統(tǒng)計視角,分析獲得了在外電場影響下水的表面結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的表化情況,這有助于在微觀尺度下揭示水的表面結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)受外電場干擾的本質(zhì)特征。
【圖文】：

水分子幾何模型

水分子3-5site模型
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O552.41

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本文編號：2600518