基本信息
- 項目名稱：
- 二氧化硅熱力學(xué)性質(zhì)的研究
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 文中采用分子動力學(xué)方法模擬研究了二氧化硅分子單元個數(shù)N=3到12之間的4種二氧化硅納米團簇在溫度T=100K到600K下比熱容的變化情況。從計算結(jié)果可以看出，二氧化硅納米團簇的比熱容比其體材料的要小，并且隨著團簇尺寸增加而增大；同一團簇，溫度越高，其比熱容也越大。該結(jié)果與理論分析大致上是吻合的，反映了團簇與體材料是有區(qū)別的，本文從微觀分子水平出發(fā)，簡單的探討了這一差異產(chǎn)生的原因。
- 詳細介紹：
- 二氧化硅因其具有高純度、低密度、高比表面積、分散性好、表面硅醇基與活性硅烷鍵能形成強弱不等的氫鍵、光學(xué)性能和機械性能優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于催化劑載體、高分子復(fù)合材料、電子封裝材料、精密陶瓷材料、橡膠、造紙、塑料、玻粘結(jié)劑、高填料、密封膠、涂料、光導(dǎo)纖維、精密鑄造等諸多行業(yè)的產(chǎn)品中，特別近年來，二氧化硅在軍事、通訊、電子、激光技術(shù)、生物學(xué)等領(lǐng)域有了越來越廣泛的應(yīng)用。二氧化硅是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料，因此人們對二氧化硅的研究相對比較深入。 近年來，團簇是實驗和理論研究的熱門課題，對二氧化硅分子層次的理論研究可以有助于對塊體二氧化硅材料的進一步了解。但是對納米團簇用實驗的方法進行研究是有一定難度的,因此到目前為止，還沒有能從實驗得到描述團簇的原子能量分布特征以及熔化過程中這些分布情況的變化特征的大量準確的數(shù)據(jù)，而這些特征對于了解納米團簇熔點降低的本質(zhì)以及建立熔化模型又是至關(guān)重要的。而分子動力學(xué)計算機模擬正好是研究納米團簇的種種物理性質(zhì)的理想工具。這一技術(shù)既能得到原子的運動軌跡,還能像做實驗一樣進行各種觀察。分子動力學(xué)方法,是材料微尺度熱物理性質(zhì)計算機模擬中常用的一種方法。在分子動力學(xué)模擬中，往往將分子的動力學(xué)行為看做遵循經(jīng)典牛頓運動定律，通過求解某一給定勢場中相互作用粒子的運動方程,得到分子隨時間演化和詳細軌道圖景,并由統(tǒng)計力學(xué)計算系統(tǒng)的物理參量。 本文模擬計算了單元個數(shù)為3個、6個、9個、12個的二氧化硅納米團簇在溫度分別為100，200，300，400，500，600K時的熱容。在計算過程中所采用用的是Materials Studio軟件包，由實驗值取Si—O鍵長為0.160 9 nm,Si—O—Si鍵角為143.663°,O—Si—O鍵角為109.396°。按照物質(zhì)在穩(wěn)定狀態(tài)時能量最低這一原理，用牛頓法和共軛梯度法優(yōu)化模型后，采用周期性邊界條件，在正則系綜中進行動力學(xué)模擬，選擇Andersen熱浴作為溫度恒溫器，根據(jù)模型的大小和溫度的高低選取足夠長的模擬時間(百ps量級)使系統(tǒng)達到動態(tài)平衡。初始速度由高斯型分布隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生,服從Maxwell- Boltzman分布，由COMPASS力場確定分子間作用力，通過Verlet算法產(chǎn)生分子的運動軌跡，時間步長為1 fs，每隔200 fs對分子速度、坐標以及能量等信息進行提取，利用粒子運動過程能量的漲落求得薄膜定容比熱容，即，其中E為系統(tǒng)的總能量，為玻爾茲曼常數(shù)，T為系統(tǒng)的熱力學(xué)溫度。 模擬結(jié)果表明二氧化硅納米團簇的比熱容比其塊狀物質(zhì)的要低，并且同一團簇，溫度越高，其比熱容也越大。該結(jié)果與現(xiàn)有理論分析大致上是吻合的，揭示了納米團簇與宏觀尺寸上的熱力學(xué)性質(zhì)是有差別的。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 對二氧化硅分子層次的理論研究可以有助于對塊體二氧化硅材料的進一步了解，本文用分子動力學(xué)的方法模擬研究二氧化硅納米團簇的熱容與溫度及團簇尺寸的關(guān)系，同時與塊體二氧化硅材料的相關(guān)性質(zhì)進行比較，尋找二者之間的共同點及差異。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 團簇是實驗和理論研究的熱門課題，但是對納米團簇用實驗的方法進行研究是有一定難度的，而分子動力學(xué)計算機模擬正好是研究納米團簇的種種物理性質(zhì)的理想工具。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 二氧化硅是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料，對二氧化硅分子層次的理論研究可以有助于對塊體二氧化硅材料的進一步了解。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 文中采用分子動力學(xué)方法模擬研究了二氧化硅分子單元個數(shù)N=3到12之間的4種二氧化硅納米團簇在溫度T=100K到600K下比熱容的變化情況。從計算結(jié)果可以看出，二氧化硅納米團簇的比熱容比其體材料的要小，并且隨著團簇尺寸增加而增大；同一團簇，溫度越高，其比熱容也越大。該結(jié)果與理論分析大致上是吻合的，反映了團簇與體材料是有區(qū)別的，本文從微觀分子水平出發(fā)，簡單的探討了這一差異產(chǎn)生的原因。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- 【1】毋志民,何煥典,羅強.銀、鈷和鉑原子納米團簇熔化過程的分子動力學(xué)模擬[M].原子與分子物理學(xué)報,2004. 【2】SUN H. COMPASS: An ab Initio forcefield optimized for condensed-phase applications -overview with details on alkane and benzenecompounds [J].Phys Chem B, 1998. 【3】方俊鑫,陸棟.固體物理學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)出版社, 1993. 【4】FRENKEL &SMIT.分子模擬——從算法到應(yīng)用[M].汪文川,周健,曹達鵬,等. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002. 【5】RAPAPORT D C.The Art of Molecular Dynamics Simulation[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1995. 【6】陳則韶,葛新石,顧毓沁.量熱技術(shù)和熱物性測定[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 1990.
同類課題研究水平概述
- 二氧化硅因其具有高純度、低密度、高比表面積、分散性好、表面硅醇基與活性硅烷鍵能形成強弱不等的氫鍵、光學(xué)性能和機械性能優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于催化劑載體、高分子復(fù)合材料、電子封裝材料、精密陶瓷材料、橡膠、造紙、塑料、玻粘結(jié)劑、高填料、密封膠、涂料、光導(dǎo)纖維、精密鑄造等諸多行業(yè)的產(chǎn)品中，特別近年來，二氧化硅在軍事、通訊、電子、激光技術(shù)、生物學(xué)等領(lǐng)域有了越來越廣泛的應(yīng)用。二氧化硅是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料，因此人們對二氧化硅的研究相對比較深入。在納米尺度范圍內(nèi),由于各種尺度效應(yīng)的影響,納米團簇的熱力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)體材料的有很大不同，納米團簇的熱力學(xué)性質(zhì)的研究對于二氧化硅材料的應(yīng)用具有極其重要的意義。但是在目前條件下,通過實驗進行是比較困難的,而近年來發(fā)展的分子動力學(xué)模擬疑成為了解納米團簇性質(zhì)的理想工具，國際上采用分子動力學(xué)模擬固體熱力學(xué)性質(zhì)的研究正迅速開展起來。
