發(fā)布時(shí)間：2020-03-25 22:12

【摘要】：外電場(chǎng)下水的表面性質(zhì)的研究,對(duì)于認(rèn)識(shí)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(shì)(CPM)分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法模擬研究外電場(chǎng)下的水,主要圍繞外電場(chǎng)對(duì)水的表面微觀結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)行為、表面電勢(shì)、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(dòng)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(duì)水表面的本征分析,成功獲取了模擬體系水隨時(shí)間變化的的瞬時(shí)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(shí)漲落的幅度,建立了表面毛細(xì)漲落幅度與波失的關(guān)聯(lián);獲得了基于水的本征表面計(jì)算的各項(xiàng)熱力學(xué)性質(zhì)(如壓強(qiáng)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(duì)于液體水表面的微觀精細(xì)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(shì)方法(CPM),進(jìn)行了常溫外電場(chǎng)下液體水的分子動(dòng)力學(xué)模擬。嚴(yán)格控制了模擬外場(chǎng)中極板的電勢(shì),使得極板間保持恒定的電勢(shì)差,從而滿足對(duì)體系施加的恒定外電場(chǎng)條件。隨著外電場(chǎng)增強(qiáng),水表面及bulk水的密度分布對(duì)外電場(chǎng)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(qiáng)產(chǎn)生了非常明顯的波動(dòng),在陰極和陽極附近水的表面壓強(qiáng)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(dāng)極板間電勢(shì)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(chǎng)對(duì)水的表面電勢(shì)的影響,獲得了外電場(chǎng)與水表面電勢(shì)的變化規(guī)律。通過探針法獲得了沿電場(chǎng)方向體系的一維電勢(shì)分布,發(fā)現(xiàn)當(dāng)極板間電勢(shì)差(?Ψ2V)時(shí),水的bulk區(qū)域出現(xiàn)電勢(shì)梯度。在零電場(chǎng)場(chǎng)下水的陰極和陽極附近表面電勢(shì)是相同的;隨著外電場(chǎng)的增強(qiáng),水的表面電勢(shì)開始出現(xiàn)差異;陰極附近水的表面電勢(shì)逐漸降低,而陽極附近水的表面電勢(shì)逐漸升高。4.我們通過基于毛細(xì)波理論的本征統(tǒng)計(jì)視角和基于Gibbs-dividing分界面的平均統(tǒng)計(jì)視角,系統(tǒng)研究了在不同外電場(chǎng)下水的表面結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì),對(duì)比了兩種不同定義下(力學(xué)定義和毛細(xì)波理論定義)的表面張力與外電場(chǎng)的標(biāo)度關(guān)系。通過計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)本征統(tǒng)計(jì)視角能更精細(xì)的反映水的表面結(jié)構(gòu),特別是在外電場(chǎng)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(chǎng)下,兩種定義下的表面張力計(jì)算結(jié)果基本相同;隨著外電場(chǎng)的增強(qiáng),在低電場(chǎng)下力學(xué)定義下的表面張力和毛細(xì)波理論定義下的表面張力具有相同遞減的趨勢(shì);在高電場(chǎng)下,兩者開始產(chǎn)生差異。綜上,本文通過恒定電勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬了外電場(chǎng)下極性分子液體水,從本征和平均兩種統(tǒng)計(jì)視角,分析獲得了在外電場(chǎng)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(chǎng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O552.41

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本文編號(hào)：2600518