Al_(89)La_6Ni_5非晶合金的第一性原理分子动力学模拟

采用第一性原理分子动力学(AIMD)方法模拟Al89La6Ni5合金的退火过程,结合双体相关函数和配位多面体(团簇)分布分析了体系短程有序结构随温度的演化.结构分析表明,非晶态Al89La6Ni5原子短程有序结构近似密堆排列;在非晶形成过程中,Al原子周围短程有序结构几乎没有发生变化,而La和Ni原子周围环境发生明显改变,由此推测,La原子的加入改变了Ni原子周围的短程有序结构,因而增加了Al-La-Ni体系的非晶形成能力;Al原子和Ni原子间存在Al-Ni共价键作用,电子态密度的计算说明,费米面附近Al-p和Ni-d之间电子的相互作用是Al-Ni原子间形成局域共价键的原因.

网络修饰体对铝硅酸盐系玻璃微观结构的影响:第一性原理分子动力学模拟

铝硅酸盐玻璃体系是玻璃工业中的重要体系,具有较好的化学稳定性、较高的机械强度和低膨胀系数。本文采用第一性原理分子动力学模拟研究了几种网络修饰体对铝硅酸盐系玻璃的微观结构的影响,研究发现当M/Al=1/2(M=Ca,Mg)或者R/Al=1(R=Na,K)时,铝全部转变为铝氧四面体,此时玻璃结构并不像传统理论认为的形成一个完整的三维网络,而是存在一定数量的非桥氧。通过对径向分布函数,键角分布、配位数、Qn等方面的分析,讨论了网络修饰体的性质对Si以及Al的局部环境的影响。研究表明网络修饰体的电场强度(z/r^2)是影响铝硅酸盐玻璃微观结构的主要因素。网络修饰体在提供游离氧使网络解聚的同时,还有积聚断键的作用,并且电场强度越大,积聚作用越强,网络的连贯性越好。

锂掺杂碳纳米管储氢的第一性原理分子动力学研究

多数实验和理论研究结果表明在中常温和中等压强下，普通碳纳米管（CNT）及其阵列储氢很难达到美国能源部提出的研究目标。人们开始研究碱金属掺杂碳纳米管，并取得了重要进展。

元素掺杂对储氢容器用高强钢性能影响的第一性原理和分子动力学模拟

高压气态储氢是当前氢能储运的重要方式,而高强钢材料则是储氢容器主要采用的材料之一.然而,其内部杂质元素和固有缺陷常导致其力学性能下降,从而降低了容器的承压能力和存储寿命.目前元素掺杂对于高强度钢力学性能的影响机制尚不完全明确,基于此,本文应用第一性原理计算模拟方法研究了Fe-M及Fe-C-M(M=Cr,Mn,Mo,As,Sb,Bi,Sn,Pb)体系中元素掺杂对其机械性能的影响.结果表明,Mn掺杂使得高强钢的弹性模量、体模量和剪切模量等增强,而其余元素的引入均使得高强钢的3种模量减弱,其中非过渡金属元素对3种模量的影响大于过渡金属元素.电子结构分析表明,过渡金属元素与Fe晶格有着更好的相容性.分子动力学模拟结果进一步显示H原子的注入显著地破坏了Fe多晶掺杂C,Cr,Mn元素体系的晶格有序性,而Cr元素的掺入则可以显著提升体系的位错密度.综上,本文探究了掺杂元素对单晶和多晶Fe力学性能的影响,对Fe基材料掺杂及缺陷对强度影响的机理研究具有较强的指导意义.

高压下面心立方CeH_(9)和CeH_(10)动力学性质的第一性原理研究

高压下的稀土金属超氢化物因具有高温超导电性而受到广泛关注。由于实验只能部分地确定超氢化物中稀土金属原子的晶格结构,因此,第一性原理计算成为全面理解其结构与物性的重要方法。基于第一性原理计算,对氢含量不同但Ce晶格结构相同的面心立方CeH_(9)和CeH_(10)的弹性、晶格动力学、质子动力学性质进行了对比研究,发现低氢含量有利于面心立方超氢化铈的弹性和声子稳定向低压拓展。在100~140 GPa压强区间,室温下CeH_(9)和CeH_(10)不具有显著的质子扩散,但1 500 K时全面转变为超离子态,扩散系数分别为1.6×10^(-4)~1.2×10^(-4) cm^(2)/s和1.9×10^(-4)~1.5×10^(-4) cm^(2)/s;扩散系数与温度、氢含量正相关,但与压强负相关。所获得的压强、温度及氢含量对超氢化铈结构与动力学性质的影响规律可为其他超氢化物研究提供参考。

铝、锆液固态转变和动力学性质的第一性原理分子动力学研究

采用第一性原理分子动力学(Ab Initio Molecular Dynamics,AIMD)方法研究了Al和Zr液固转变过程中的能量、偶关联函数、结构因子和键对分布的变化规律,获得了不同温度下两种金属液体的扩散系数和黏度.结果表明,AIMD计算得到的液态金属偶关联函数、结构因子和扩散系数与实验测量数据符合得很好.在冷速为5.0×1013和2.5×1013K/s时,液态Al分别在730K附近发生玻璃化转变或者形成有一定缺陷的fcc晶体结构.在平均冷却速率为4.3×1013和2.0×1014K/s的条件下,液态Zr在1200K时分别开始转变为热力学上亚稳定的bcc结构和玻璃相.Zr的液态和玻璃态结构中二十面体和bcc类型短程序是其主要拓扑短程序.

高温高压下MgSiO_3熔体结构的第一性原理分子动力学研究

基于第一性原理分子动力学方法,计算了MgSiO3熔体在0～144GPa、2 000～6 000K的微观结构及其随压力、温度的变化特征。计算的近零压2 000K下O—Si、O—Mg和O—O对分布函数的第一峰值位置分别为0.163 5、0.197 0和0.269 5nm,与实验结果吻合很好。随着压力和温度的变化,MgSiO3熔体结构发生了显著变化,尤其是随着压力增加,结构变得更致密;当密度为4.59g/cm3时,原子间的平均键长随温度（小于5 000K）增加而减小,在常压和更高的压力下,原子间的平均键长随温度变化不明显。在133GPa、4 000K条件下,MgSiO3熔体的O—Si、O—Mg和O—O平均键长分别为0.161 0、0.183 5和0.230 0nm;从地表常压到核幔边界压力,平均Si—O配位数从4变到6,桥氧数目比例由31.3%增高到72.9%。MgSiO3熔体微观结构的认识对了解地幔内硅酸盐流体性质及其对地幔动力学的影响有重要意义。

低价锆氧化物Zr_(3)O的结构、热力学和弹性性质第一性原理研究

采用第一性原理系统地研究3种Zr_(3)O晶形(空间群分别为R3c(斜方六面体)、R32(斜方六面体)和P6322(六面体))的晶格动力学及其与温度相关的热力学和力学性质。计算得到的3种Zr_(3)O晶形的晶体结构参数与实验结果一致。此外,证明3种Zr_(3)O结构在动力学和热力学上均具有稳定性。获得了3种Zr_(3)O晶形在0~1500 K温度范围内的熵、焓、吉布斯自由能、比热容、热膨胀系数和弹性模量等性质。发现3种Zr_(3)O晶形在0K时的相对稳定性顺序为Zr_(3)O(R3c)>Zr_(3)O(R32)>Zr_(3)O(P6_(3)22);然而,在50 K时Zr_(3)O(R3c)转变成Zr_(3)O(R32),在540K时转变为Zr_(3)O(P6_(3)22)。相较于其他2种Zr_(3)O相,Zr_(3)O(R32)表现出更优越的力学性能。

爆炸冲击波作用下C_(60)O碰撞的第一性原理分子动力学模拟

利用爆炸产生的极端高温高压能够制备较高产率的He原子内嵌富勒烯,但爆炸环境的特殊性使得反应机理十分复杂,富勒烯之间的相互作用也难以预料。以C60O及C60为模型,采用第一性原理分子动力学方法模拟爆炸极端条件下富勒烯分子的碰撞过程。当分子质心碰撞速度为3.28km/s时,通过模拟得到C60O相互碰撞产生CO@C60,C60碰撞后损失两个C原子可得到C58分子。模拟计算可帮助理解碰撞过程中内嵌富勒烯的形成机理,有助于开展富勒烯改性实验的设计。

分子动力学模拟在医学微生物实验教学中的应用

微生物灭菌是涉及生物安全的重要技术。但在医学微生物实验课程中,学生只能从宏观层面感受灭菌效果,不能观察到微生物在微观层面的变化。文章利用分子动力学模拟技术,选择蛋白质、核酸以及细胞膜作为模拟对象,获得它们在高温下的变化过程,为学生理解热力灭菌原理提供了直观的展示。分子动力学模拟技术的引入为医学微生物教学提供重要的技术手段,是提高教学效果的有益辅助。

高温及高压下液体镓的结构——第一性原理分子动力学方法研究

采用第一性原理分子动力学方法研究了高温下正常密度和高密度液体镓的结构和性质。结果与有关实验事实相符合,发现液体镓中仍残留着共价键相结合的镓分子,随着密度的增加,结构因子主峰右边逐渐发展成为一肩膀。并从能量角度讨论了液体镓结构因子中出现肩膀的物理原因。

单壁碳纳米管储氢的第一原理分子动力学模拟

本文用第一性原理平面波赝势方法模拟研究了手性单壁碳纳米管与氢分子的相互作用,考察了碳纳米管直径对储氢性能的影响.对单壁碳纳米管储氢的模拟结果表明:(1)物理吸附时,H_2可以吸附在空腔内,也可以吸附在管与管之间的空隙中,纳米管内部的氢吸附力均高于管外,而"完好无损"的H_2分子不能够穿过管壁而进入管内.(2)化学吸附时,碳纳米管对氢的吸附首先出现在管的边缘附近,碳纳米管局部会发生形变,SWCNTs的张力会随C—H键的增加而增大,系统不稳定.(3)随着直径的增加,纳米管内、外的氢吸附力差异减小.

β-MnO_(2)电子结构、磁性、弹性和晶格动力学性质的第一性原理研究

文章利用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理计算,研究金红石型MnO_(2)(β-MnO_(2))的电子结构、磁性、弹性和晶格动力学性质.电子结构和磁性计算结果表明:β-MnO_(2)是直接带隙为0.3 eV的半导体,每个晶胞磁矩为6.0μB;弹性和晶格动力学性质计算结果表明:环境压力下,β-MnO_(2)相是力学和动力学都不稳定的结构.

PVDF单轴拉伸的第一性原理和分子动力学模拟

为得到聚偏二氟乙烯(PVDF)的大变形拉伸特性,应用第一性原理方法模拟了β相PVDF分子链的在单轴拉伸下的能量及构型变化,得到了β相分子链拉伸过程中发生断裂时的临界键长、临界断裂能量、临界拉力以及分子链弹性系数的变化规律.接着用一种新颖的方法构造了无定形PVDF的立方元胞模型并用于单轴拉伸的分子动力学模拟.模拟中分别考虑链不被拉断和链允许被拉断两种情况.第1种情况下,拉伸应变率分别为1010,109和108s-1,得到了应力应变关系和构型变化;第2种情况下,拉伸应变率分别为109s-1,5×108s-1和准静态,得到了应力应变关系和断裂前后的构型.同时分析了一些关键的形变信息和影响模拟结果的一些关键因素.模拟结果表明,不仅对于理解PVDF的拉伸变形机制具有较重要意义,而且对于其他无定形材料的拉伸模拟具有参考价值.

第一性原理分子动力学中电子结构的神经网络表达

第一性原理分子动力学模拟过程中产生海量包含丰富电子结构信息的数据,未被充分利用.本文提出一种通过预测晶体材料紧束缚模型的形式,高效、准确地表达第一性原理电子结构的神经网络方法TBworks.TBworks可以结合机器学习分子动力学方法,快速实现复杂体系的分子动力学模拟和电子结构采样,计算电子关联函数以及相应的物理性质.以一维电荷密度波材料碳炔链为应用示例,本文基于TBworks研究了正则系综下的电子谱函数和光电导率,以及孤子-反孤子对湮灭的动力学过程中电子的非绝热演化,发现由于超越波恩-奥本海默近似的动力学效应对电子谱函数的低能模式的修正.该方法为研究动力学体系提供了准确、高效、可重复使用的第一性原理电子结构的代理模型,极大地提高了电子结构的计算效率和模拟尺度,使得对一些由于计算瓶颈无法或者难以进行的新奇性质和现象的研究成为可能.

第一性原理研究Li2NH的晶格动力学和热力学性质

采用第一性原理的赝势平面波方法系统地研究了Li2NH的电子结构、晶格动力学和热力学性质.计算得到的晶格常数与先前的理论和实验结果符合得很好.运用线性响应理论计算了整个布里渊区高对称方向上的声子色散曲线和相应的声子态密度,发现Li2NH(Pnma)声子色散曲线没有虚频,动力学性能相对最稳定,计算结果和先前实验及理论数据符合得很好.最后,利用得到的声子态密度进一步预测了Li2NH的热力学性质,包括晶格振动对Helmholtz自由能、内能、熵和热容的贡献,计算结果在一定程度上可为Li-N-H储氢体系的应用提供理论指导.

超纳米金刚石薄膜结构相变的第一原理分子动力学研究

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对稳定性和物理性质又尤为重要.本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构.研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开(111)面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从(111)面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行.转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相——Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-diamond结构稳定存在.

基于第一性原理计算ReB_2的点阵动力学

为了研究新型超硬材料ReB2的低温超导特性,利用基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算,研究了过渡金属化合物ReB2的点阵动力学性质,并分析了不同原子对电声耦合作用的贡献。计算结果表明,对于相同原子振动模式的频率,沿c方向振动的频率总是大于在a-b平面内振动的频率。轻原子B对电声耦合作用的贡献最大,而总的电声耦合作用较弱,说明ReB2是弱的电声耦合超导体。

基于第一性原理计算OsB_2的点阵动力学

利用基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算,研究过渡金属化合物OsB2的点阵动力学.结果表明所有的带心光学声子模对应的原子都沿c轴方向振动,低频拉曼活性模式由重原子Os运动产生,重原子Os对电声耦合作用的贡献最大,而总的电声耦合作用较弱,说明OsB2是弱的电声耦合超导体.

AlB_2型结构WB_2点阵动力学的第一性原理研究

对Al B2型结构的二硼化物的超导进行了大量研究,试图寻找新的高温超导体。为了研究硬材料WB2的超导电性,利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Al B2型结构WB2的点阵动力学性质,并与高温超导体Mg B2的相关性质作了比较。WB2的能带在费米能级沿Γ-A方向有两条双重简并的能带。带心声子计算结果表明,声子频率全部来源于B原子振动关联模式的贡献。高频率的B1g和E2g两种声学模式的电声耦合作用较强且对超导电性起着决定性的作用。WB2有着与Mg B2类似的高温超导性质。