受限條件下水的介電性質(zhì)在電化學(xué)和能量存儲(chǔ)等發(fā)面有著至關(guān)重要的作用,且不同受限條件,如:受限尺寸、受限溫度等對(duì)其性質(zhì)有著強(qiáng)烈的影響。然而,由于實(shí)驗(yàn)條件限制,到目前為止,很少有人在實(shí)驗(yàn)上能夠精確報(bào)道超高限制條件下的水的介電性質(zhì),且很多模擬計(jì)算關(guān)于受限水介電性質(zhì)的報(bào)道均采用的是剛性不極化的水勢(shì)。本論文提出了一套基于極化水勢(shì)研究納米尺度受限水介電性質(zhì)的模擬計(jì)算分析方法,使用該套方法,我們模擬了剛性固定電荷偶極矩SPC/E水模型和極化水模型SWM4-NDP在不同溫度下受限在0.65nm尺寸、5000bar限制壓強(qiáng)的單分子層冰（水）體系,我們分析了不同體系的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和介電性質(zhì),通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)因子、極化水模型的偶極矩分布、計(jì)算不同溫度下的介電張量、徑向偶極偶極空間關(guān)聯(lián)函數(shù)等;我們發(fā)現(xiàn):由于受限,體系在x、y和z方向有強(qiáng)烈的各向異性;兩種水分子模型在描述受限體系靜態(tài)物相結(jié)構(gòu)性質(zhì)的時(shí)候效果一樣;但該極化水模型描述受限水電極化動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面相較于SPC/E水模型有著明顯的優(yōu)勢(shì),我們推斷該極化水模型在研究涉及受限水離子輸送、結(jié)構(gòu)相變和溶劑化動(dòng)力學(xué)過(guò)程是比傳統(tǒng)的SPC/E水模型更佳的選擇。 

【文章來(lái)源】：華東師范大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

外加電壓為11kV時(shí)，水的極性演示

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文3圖1.2水的相圖。來(lái)自Wikipedia。Figure1.2Phasediagramofwater.FromWikipedia.1.2受限水的研究現(xiàn)狀三維空間中的水尚且如此復(fù)雜，當(dāng)水被限制在狹窄的空間范圍內(nèi)時(shí)它的一系列性質(zhì)和熱力學(xué)行為更為讓人著迷。了解限域條件下水的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)對(duì)生命環(huán)境科學(xué)、凝聚態(tài)物理和納米流體學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展都至關(guān)重要[17][18]。例如：水?dāng)U散到納米孔中的方式定義了蛋白質(zhì)和膜的功能[19]；界面第一層水的結(jié)構(gòu)精確地解釋了腐蝕、流體流動(dòng)、催化、潤(rùn)滑和界面化學(xué)等微觀(guān)現(xiàn)象[20][21][22][23][24]；水的邊界滑移機(jī)理在納米流體學(xué)至關(guān)重要[25]；層狀二維材料中殘余的水會(huì)誘導(dǎo)電子摻雜從而影響電子性能，進(jìn)而影響器件的功能[26][27]。納米尺度的水也廣泛存在于顆粒、多孔材料、細(xì)胞內(nèi)以及細(xì)胞周?chē)�。在生�?

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文4體系，水分子參與的蛋白質(zhì)通道內(nèi)離子輸運(yùn)的過(guò)程中，它在信號(hào)傳遞、能量轉(zhuǎn)換、點(diǎn)位調(diào)控、物質(zhì)交換中都發(fā)揮了極為重要的作用[28][29][30]；在環(huán)境領(lǐng)域，對(duì)海水和污水進(jìn)行處理凈化的過(guò)程中，水分子在反滲透膜及碳納米管中的輸運(yùn)性質(zhì)關(guān)系著能否大大降低成本，減小能耗；在材料科學(xué)領(lǐng)域，潮濕環(huán)境下金屬的表面腐蝕以及水參與的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，水起著促進(jìn)、延緩甚至抑制的作用。當(dāng)水被限制時(shí)，氫鍵網(wǎng)絡(luò)能量最小化、它與相對(duì)較大腔表面的作用以及量子相干的可能性和可用空間內(nèi)的擬合存在沖突。限域下的水的物理性質(zhì)和狀態(tài)可以根據(jù)空腔表面的分子特性、約束尺寸以及溫度和壓力的變化而廣泛的變化。因此限域下的水的性質(zhì)很難預(yù)測(cè)，它表現(xiàn)出的性質(zhì)和塊體水的性質(zhì)有很大的不同。并且隨著限域條圖1.3納米尺度的水分別在生物、環(huán)境、材料領(lǐng)域中的應(yīng)用；(a)為氧化石烯通過(guò)水分子將磷脂分子的親水端―拉‖出細(xì)胞膜的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu);(b)低潮濕環(huán)境下硅量子點(diǎn)表面的雙頻帶熒光;(c)風(fēng)吹條件下，鹽溶液在高序熱裂解石(HOPG)表面形成帶電的納米鹽溶液薄層。Figure1.3Applicationofnanoscalewaterinbiology,environmentandmaterialfieldsrespectively;(a)thestructureofphospholipidbimolecularlayerthatoxirane"pulls"thehydrophilicendofphospholipidmoleculeoutofcellmembranethroughwatermolecule;(b)thedualbandfluorescenceonthesurfaceofsiliconquantumdotsinlowhumidityenvironment;(c)Undertheconditionofwindblowing,athinlayerofchargednanosaltsolutionwasformedonthesurfaceofhighorderpyrolyzedgraphite(HOPG).件的變化，它表現(xiàn)出的性質(zhì)和相行為也不斷變化[31]。科學(xué)家們漸漸意識(shí)到人們

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]限域單分子層冰-水兩相平衡體系的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J]. 杜涵,梁洪濤,楊洋.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2018(06)



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