纳米级粗糙界面法向接触特性的分子动力学模拟

精密仪器的应用推动了机械零部件的纳米化,然而关于纳米级粗糙形貌与接触参量之间映射关系的研究有限,且不同外加负载下粗糙界面接触参量的动态变化特性尚未完全被揭示。采用分子动力学方法研究纳米级粗糙界面的法向接触特性。首先,通过对表面功率谱密度函数进行逆傅里叶变换构建随机粗糙表面,建立具有纳米级粗糙度的铜-金刚石界面法向接触分子动力学模型。然后,从原子尺度模拟纳米级粗糙界面的法向动态接触过程,分析纳米级粗糙界面在不同外加负载作用下的动态变化特性,包括法向接触力、实际接触面积、界面等效变形量等关键参量。最后,模拟不同粗糙度的界面法向接触过程,建立等效接触变形量与实际接触面积间的映射关系。纳米级粗糙界面法向接触特性研究表明:接触界面粗糙形貌恒定时,法向接触力、实际接触面积、接触变形量与外加负载呈正相关;相同外加负载时,表面粗糙度的增加会使实际接触原子数量减少,进而导致法向接触力、实际接触面积和界面等效变形量的减小;原子间相互作用力和原子扩散效应直接导致接触参量的动态变化受表面形貌影响;实际接触面积随界面等效变形量呈非线性增长,且两者间存在幂律映射关系。通过分子动力学模拟,揭示纳米级粗糙界面实际接触面积与等效变形量之间的函数关系,研究成果可为微纳尺度界面接触研究提供理论参考。

单晶硅纳米级磨削过程中磨粒磨损的分子动力学仿真

建立了考虑磨粒磨损的三维分子动力学仿真模型,将固体物理学中的爱因斯坦模型引入到金刚石磨粒原子的温度转换过程中,设计了分子动力学仿真程序.研究结果表明:在磨削的初期,磨粒有明显的磨损,但当磨损到一定阶段后,磨粒不再磨损,磨削开始进入稳定的切削状态.金刚石磨粒的磨损主要发生在磨粒的最底部,这与表面效应有密切关系.由于表面效应,磨粒底部表面原子配位不足,导致磨粒底部结构表面存在许多缺陷,使磨粒底部表面具有很高的活性,极不稳定,根据最小能量原理,它将自发地向最低能量状态变化,也就是通过塑性变形、非晶相变等变化释放能量,使磨粒的表面能减少,从而发生磨损.

考虑空位缺陷的单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真

基于第一性原理,构建并验证了考虑空位缺陷的单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真模型。通过磨削过程的分子动力学仿真计算,从原子空间角度分析了单晶硅纳米级磨削过程中原子瞬间位置变化、温度波动、作用力大小和势能波动等变化,解释了纳米级超精密磨削过程中材料的去除过程,描述了切屑形成过程和加工表面形成机理。分析了空位缺陷对加工过程和表面质量的影响,并对空位在仿真过程中的作用进行了研究。

纳米级粗糙表面接触行为的分子动力学模拟

为了研究纳米级粗糙表面接触的微观机理,以金刚石为例,采用Tersoff势,用分子动力学方法研究了具有分形粗糙表面的刚性球形探头与弹性平面的接触过程。模拟结果显示,探头的表面形貌是影响趋近阶段粘附力的重要因素,分形维数越大,粘附力越大;探头的表面形貌对载荷-位移曲线也有影响,载荷较小时,探头表面粗糙形貌显著影响载荷的增长规律,载荷较大时,表面形貌对载荷-位移曲线变化的影响不再显著,载荷与位移线性增长;探头表面的纳米级粗糙峰,显著地影响了探头与基体之间的接触行为。但这种改变,并不会影响接触过程中真实接触面积与法向载荷间的线性关系。

纳米级铱单晶不同温度拉伸的分子动力学解析

针对面心立方金属铱单晶独特的韧脆变形特征,采用分子动力学方法研究了纳观尺度下的铱单晶在不同温度下的拉伸变形行为。通过分析不同温度拉伸过程中的应力应变关系,势能变化和原子构型图,认为随着温度的上升,纳米级铱单晶沿[100]晶向的弹性模量逐渐下降,抗拉强度也逐渐降低。温度为300 K时拉伸变形过程中在晶体内仅有少量空位和位错产生,600和800 K拉伸变形过程中在晶体内有滑移,位错和空位产生。

页岩油在纳米级狭缝中吸附特征的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了页岩油在纳米级有机质狭缝内和二氧化硅矿物狭缝内的吸附特征。在COMPASS(condensed-phase optimized molecular potential for atomistic simulation study)力场下模拟了355K、18 MPa(松辽盆地青山口组Ro=0.9%时的地质条件)条件下,混合烃类分子在纳米级狭缝内的吸附行为,对比了有机质和矿物的吸附能力以论证前人的研究,证明了模拟的正确性;分析了混合烃、各烃组分在二氧化硅狭缝和有机质狭缝中的密度分布特征及温度对有机质狭缝内烃分子吸附的影响。结果表明:(1)混合烃类分子在纳米级狭缝壁面处出现了3个较明显的吸附层,每个吸附层的厚度在0.4~0.5nm之间,且石墨烯单位面积的吸附能力约为石英的1.31倍;(2)由于竞争吸附作用,并非所有的烃类都在靠近固体壁面处吸附最多,那些容易扩散的气态烃和拥有特殊化学键的芳香烃更容易吸附在狭缝壁面处;(3)温度升高,使狭缝内混合烃类分子吸附相密度降低,但由于多组分竞争吸附作用的存在,并不是所有烷烃的密度峰值随着温度的升高而降低,5种混合烃类分子中的正构烷烃和支链烷烃的第1吸附层的密度峰值有所升高。

分子动力学仿真过程中硅晶体位错模型的构建

基于位错形成机理,在单晶硅晶体结构基础上描述了硅晶体位错形成的过程。应用偶极子模型,构建了60°滑移位错芯和螺旋位错芯,进而得到硅晶体含有60°滑移位错的模型和含有螺旋位错的模型。对含有螺旋位错的硅晶体模型进行了分子动力学仿真计算,分析了含有螺旋位错的硅晶体超精密磨削的加工过程,研究了含有螺旋位错缺陷的硅晶体纳米级磨削机理。

含有L-对硝基苯丙氨酸的BAFF改构体的分子动力学模拟与分析

建立含有L-对硝基苯丙氨酸(p-nitro-L-phenylalanine,pNO_2Phe)蛋白的分子动力学模拟方法,分析了含有pNO_2Phe的蛋白具有免疫原性的构效关系,为其他含有非天然氨基酸蛋白的动力学模拟研究提供参考。使用CGenFF-paramchem计算天然氨基酸中不存在的L-对硝基苯丙氨酸的新的成键、键角、二面角信息与能量,将新成键的键长、键角、二面角参数与相应的能量信息写入CHARMM(chemistry at Harvard macromolecular mechanics)力场参数文件中。重新定义L-对硝基苯丙氨酸的CHARMM力场参数后,利用纳米分子动力学(NAMD)成功对含有L-对硝基苯丙氨酸的B淋巴细胞刺激因子(BAFF)进行动力学模拟。统计动力学模拟过程中的每一帧体系的温度,作出的温度分布图符合正态分布,证明了新定义力场参数的稳定性。模拟结果中,蛋白的均方根偏差(RMSD)在趋近于2.5,pNO_2Phe残基的均方根涨落(RMSF)为3.7,显著高于分子的其他部位,表明pNO_2Phe残基运动剧烈,蛋白在该残基附近结构的可变性较大,可能会产生新的构象表位,为含有pNO_2Phe蛋白成为自体疫苗的设计提供了理论上的可行性。

单晶硅纳米级磨削过程的理论研究

对内部无缺陷的单晶硅纳米级磨削过程进行了分子动力学仿真,从磨削过程中瞬间原子位置、磨削力、原子间势能、损伤层深度等角度研究了纳米级磨削加工过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理。研究表明:磨削过程中,单晶硅亚表面损伤的主要形式是非晶结构形式,无明显的位错产生,硅原子间势能的变化是导致单晶硅亚表面损伤的重要原因;另外,发现磨粒原子与硅原子之间有黏附现象发生,这是由于纳米尺度磨粒的表面效应而产生的。提出了原子量级条件下单晶硅亚表面损伤层的概念,并定义其深度为沿磨削深度方向原子发生不规则排列的原子层的最大厚度。

纳米级薄膜润滑量子化模拟的研究

以量子力学原理为基础 ,建立了考虑润滑介质粒子的波动性的模拟模型 ,并利用量子力学粒子系统的Hartree自洽场独立粒子模型对模拟模型进行了数值计算 ,求得了基态下的模拟模型的波函数 ,量子力学模拟结果与Newton力学的分子动力学模拟结果进行了比较 ,获得到了一些纳米级薄膜润滑的量子化信息 .

纳米级粗糙峰法向接触特性研究

为了突破有限元法在微观尺度下界面接触特性分析中的局限性,采用分子动力学方法研究纳米级粗糙峰的法向接触行为。利用大规模原子/分子并行模拟器(LAMMPS)建立3种不同半径的Cu单粗糙峰与金刚石刚性平面法向接触的分子动力学模型,从原子尺度模拟纳米级粗糙峰法向接触动态过程,分析法向接触力、实际接触面积、接触应力等参量的动态变化特性。结果表明:粗糙峰半径一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积与接触变形率正相关;接触变形率一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积均随粗糙峰半径的增大而递增;不同于宏观接触行为,由于原子间相互作用力,纳米级粗糙峰在法向初始接触阶段出现负的法向接触力以及非零的实际接触面积;粗糙峰的接触变形过程伴随着原子位错以及应力集中。

链球菌G蛋白的力致去折叠研究

G蛋白是一个小蛋白,且是研究蛋白质去折叠的理想模板。当使用机械力对其进行拉伸研究时,发现G蛋白的去折叠过程中存在明显的中间态。在恒力和恒速两种情况下进行拉伸分子动力学模拟,发现其在两种情况下具有相同的去折叠次序,即是C端的β片层部分先去折叠,接着是N端的β片层部分去折叠,然后是C端的β片层完全去折叠,最后是N端的β片层完全去折叠,研究表明氢键对其去折叠有着重要的作用。通过研究对进一步认识蛋白质去折叠机制有重要的参考价值。

离子浓度及表面结构对岩石孔隙内水流动特性的影响

酸性环境引发的岩石孔隙表面溶解增加了孔隙内水溶液的盐离子浓度,破坏了孔隙的表面结构.本文采用分子动力学模拟的方法研究了纳米级岩石孔隙内水溶液的流动特性,分析了盐离子浓度和孔隙表面结构对水流速度分布的影响及原因.研究结果表明:纳米级岩石孔隙内的水溶液流动符合泊肃叶流动特性,流速呈"抛物线"分布;随盐离子浓度增加,水溶液内部氢键网络变得更为致密,水黏度随其呈线性增长;水溶液中离子浓度越大,孔隙表面对水流动的阻力越大,最大流速越小,速度分布的"抛物线"曲率半径越大;岩石孔隙表面结构的破坏改变了流动表面的粗糙程度,增加了孔隙表面对H2O分子的吸引力.随表面结构破坏程度的增大,水溶液在近壁区域的密度增大,流速降低;当表面破坏程度达到50%时,水溶液在近壁区域出现了明显的负边界滑移现象.