水的氢键网络动力学与其太赫兹频谱的关系

水是万物生命之源,认识水的太赫兹吸收谱是太赫兹技术在生物医学上应用的前提,太赫兹频率的选择对高效、低能耗地实现太赫兹的生物效应至关重要.水的复杂氢键网络使得其具有较宽的太赫兹吸收峰,因此有必要研究水的氢键网络动力学与其太赫兹吸收谱之间的关系,然而这方面的研究仍然非常缺乏.采用分子动力学模拟方法,本文研究了不同水模型在常温常压下的太赫兹吸收谱,并且进一步基于温度研究了水的太赫兹吸收谱对氢键网络强弱的依赖性,发现温度的升高会使氢键网络的太赫兹吸收谱发生红移,这表明氢键网络的太赫兹吸收谱的中心频率与氢键相互作用的强弱具有强关联,更进一步的研究表明水中氢键网络的氢键寿命与氢键网络振动的吸收峰的中心频率之间存在线性关系.这一现象背后的物理能够通过将氢键网络中的氢键类比为弹簧借助弹簧振子模型加以描述.本文的发现将有利于理解水中复杂的氢键网络动力学,以及促进太赫兹的生物效应研究.

太赫兹电磁波调控甲烷水合物分解

甲烷水合物具有分布范围广、资源储量大、能量密度高、清洁无污染等特点,因此一经发现便得到人们的广泛关注.虽然如此,甲烷水合物的开采存在较多的困难,主要涉及笼型甲烷水合物的分解过程,因此本文通过分子动力学模拟,探索太赫兹电磁波对该水合物分解的特异性影响.通过分析甲烷水合物中水分子的振动谱,发现其区别于体相水在低温下的特异性振动峰.通过引入频率与该振动峰中心频率一致的太赫兹波发现,该电磁场会破坏甲烷水合物原有的氢键网络,降低甲烷周围水分子的配位数,从而使甲烷分子从水笼中脱离.进一步地,对序参数F_(4)的分析也证明,在太赫兹电磁刺激下,甲烷壳层水由原来的晶体水变成了液态水.同时证明了该频率具有相比于其他频率的绝对优势,因此具有其特异性.本文的发现有望通过非热效应来实现甲烷水合物的分解,高效、低能耗地提高开采效率,推动未来新能源的发展.