外电场作用下水的表面结构与表面张力的分子动力学研究

发布时间：2020-03-25 22:12

【摘要】：外电场下水的表面性质的研究,对于认识许多化学及生物过程具有重要意义。本文采用了恒定电势(CPM)分子动力学(MD)方法模拟研究外电场下的水,主要围绕外电场对水的表面微观结构、动力学行为、表面电势、极化行为、以及表面张力的影响等问题开展了系统性的理论模拟研究。主要的研究成果如下:1.应用分子动力学方法,结合本征抽样方法(ISM)系统研究了水的表面结构。与传统Gibbs-dividing分界面不同,通过对水表面的本征分析,成功获取了模拟体系水随时间变化的的瞬时表面,发现了水表面附近的分层结构;获得了水表面瞬时涨落的幅度,建立了表面毛细涨落幅度与波失的关联;获得了基于水的本征表面计算的各项热力学性质(如压强分布、应力分布、表面张力等),证明了液体水表面分子取向和热力学性质呈现各向异性。本征表面的确定对于液体水表面的微观精细结构及热力学性质的分析研究具有重要意义。2.采用恒定电势方法(CPM),进行了常温外电场下液体水的分子动力学模拟。严格控制了模拟外场中极板的电势,使得极板间保持恒定的电势差,从而满足对体系施加的恒定外电场条件。随着外电场增强,水表面及bulk水的密度分布对外电场的响应并不明显;表面处的水分子取向、偶极方向由各向异性逐渐趋向一致;表面应力、压强产生了非常明显的波动,在阴极和阳极附近水的表面压强和应力开始出现越来越明显的差异。另外,我们发现当极板间电势差?Ψ2V,水的bulk区域产生极化现象,水的表面结构及热力学性质变化逐渐显著。3.系统研究了外电场对水的表面电势的影响,获得了外电场与水表面电势的变化规律。通过探针法获得了沿电场方向体系的一维电势分布,发现当极板间电势差(?Ψ2V)时,水的bulk区域出现电势梯度。在零电场场下水的阴极和阳极附近表面电势是相同的;随着外电场的增强,水的表面电势开始出现差异;阴极附近水的表面电势逐渐降低,而阳极附近水的表面电势逐渐升高。4.我们通过基于毛细波理论的本征统计视角和基于Gibbs-dividing分界面的平均统计视角,系统研究了在不同外电场下水的表面结构和热力学性质,对比了两种不同定义下(力学定义和毛细波理论定义)的表面张力与外电场的标度关系。通过计算分析,发现本征统计视角能更精细的反映水的表面结构,特别是在外电场干扰下水的表面结构的变化和热力学性质的变化。在零电场下,两种定义下的表面张力计算结果基本相同;随着外电场的增强,在低电场下力学定义下的表面张力和毛细波理论定义下的表面张力具有相同递减的趋势;在高电场下,两者开始产生差异。综上,本文通过恒定电势的分子动力学模拟了外电场下极性分子液体水,从本征和平均两种统计视角,分析获得了在外电场影响下水的表面结构和热力学性质的表化情况,这有助于在微观尺度下揭示水的表面结构和热力学性质受外电场干扰的本质特征。
【图文】：

水分子几何模型

水分子3-5site模型
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O552.41

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本文编号：2600518