纳米颗粒布朗扩散边界条件的分子动力学模拟

介观尺度下颗粒布朗运动的摩擦系数符合黏性流体力学边界条件,当颗粒尺度减小至纳米级别时,边界条件向滑移过渡;另一方面,随着颗粒尺度的减小,颗粒表面溶剂分子的吸附效应对颗粒水动力学半径的影响不可忽略.分子动力学模拟可以捕获纳米流体中颗粒与溶剂分子相互作用的微观细节且计算精度高.以刚性TIP4P/2005水分子模型为溶剂,建立不同大小的Cu纳米颗粒在水中扩散的全原子模型.采用单颗粒追踪方法对颗粒的平动和转动扩散系数进行拟合,将摩擦因子与黏性边界条件和滑移边界条件下的结果进行比较,并研究了溶剂在颗粒表面的吸附特性.研究发现纳米颗粒的平转动摩擦因子均在两种边界条件所预测的理论值之间,颗粒尺寸越小,溶剂分子的吸附越明显,颗粒表面的水分子层会增大颗粒的水动力学半径使得摩擦因子的计算结果偏向黏性边界,纳米颗粒尺寸约小于5倍溶剂分子尺寸时,需要考虑颗粒表面的溶剂层对颗粒水动力半径的影响.

倒三角形纳米粗糙表面液滴润湿性分子动力学模拟

固体表面纳米结构可以有效地调控界面润湿特性,在材料能源等领域具有重要应用前景。改变纳米结构的几何尺寸能够在一定范围内调节润湿特性,但存在一定的局限性,调节固液间能量系数能够进一步改变界面的润湿特性。然而,纳米粗糙表面液滴在更大区间内的固液相互作用系数下的润湿特性研究甚少。本文采用分子动力学模拟的方法,研究了倒三角形纳米粗糙表面液滴在不同区间能量系数下呈现的润湿行为,并采用渗透率进行表征。结果发现:四个不同的区间内固液间能量系数对渗透率的作用规律不同,呈现出先增后减的趋势,液滴也依次呈现出显著的润湿态,对应润湿状态图中疏水的Cassie态到亲水的Wenzel态,而能量系数越过临界值(~7),Wenzel态再反转回显著的Cassie态;同时,液滴分子空间分布呈现明显的规律性,其底层原子在晶格线或晶面均衡分布,形似壁面原子的外延生长。本文的研究获得了能量系数对润湿性影响规律的全貌性认识,对纳米结构表面润湿性的设计和调控具有一定的指导意义。