分子动力学模拟在分散剂/表面活性剂在煤颗粒表面吸附机理方面的研究进展

本研究从力场、几何优化、牛顿运动方程、周期性边界条件、系宗、控温控压方法、步长步数等方面简述了分子动力学模拟的基本原理。目前,煤大分子的构建方法有三种:经典模型、自主构建模型和含氧官能团修饰的石墨烯层模型。分子动力学模拟中,吸附构型的图像信息可以直接观察分散剂/表面活性剂在煤颗粒表面的吸附情况及吸附历程,而密度分布曲线、均方根位移、吸附能等定量结果可以揭示分散剂/表面活性剂的吸附机理。分子动力学模拟与实验方法相结合可以从微观和宏观两个角度揭示分散剂/表面活性剂在煤颗粒表面吸附模式,将为分散剂和浮选剂的开发和应用提供重要的理论支撑。

铜换热表面MgO颗粒与碳酸钙混合污垢沉积特性的分子动力学模拟

为探究MgO颗粒与碳酸钙混合污垢在换热表面沉积特性与机理,该文采用分子动力学模拟方法分析MgO颗粒和碳酸钙混合体系在铜换热表面的沉积过程,并通过改变碳酸钙浓度讨论浓度对混合污垢沉积特性的影响规律。结果表明,在混合污垢沉积过程中,碳酸钙团簇在颗粒与换热表面间起到连接作用,形成稳固的沉积状态。此外,MgO颗粒对离子缔合形成团簇过程中的动力学特性和结构特性有所影响。随着碳酸钙浓度由0.26 mol/L升至1.1 mol/L,换热表面直接吸附的碳酸钙团簇数量变多,MgO颗粒更容易通过碳酸钙团簇的相互作用沉积在换热表面。MgO颗粒促进了碳酸钙的缔合过程,碳酸钙促进了混合团簇的沉积,进而形成初始沉积阶段的混合污垢。

复杂多相流体的介观模拟:耗散粒子动力学方法及应用

在悬浮液、乳液和泡沫等复杂多相流体中,离散分布着大量的纳米至微米尺度的颗粒、液滴和气泡等,在流动作用下这些离散相物质呈现出复杂的个体或群体运动行为,进而显著影响这些复杂多相流体的宏观流变和流动行为.针对这类流体,开展介观尺度数值模拟成为一种有效且相对经济的研究手段.其中,耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法是一种具有代表性的介观尺度数值模拟方法,由于其粒子方法的特质,DPD方法适合用于上述复杂多相流体内部结构的数值建模和数值模拟研究.本文对近年来DPD方法在颗粒悬浮液、乳液和气泡等复杂多相流体模拟方面研究进展进行了系统的介绍,深入探讨了DPD方法在复杂多相流体介观模拟方面的针对性改进以及当前存在的不足,并对DPD方法的研究和应用进行了总结和展望.

基于耗散粒子动力学模拟辅助的纳米结构脂质载体优化制备

基于分子模拟能够探究纳米结构脂质载体(nanostructure lipid carriers,NLC)各物质间的结合能、溶解度参数等,预测混合物的相容性,从而用于指导实验前原料种类以及用量选择。该文以姜黄素(curcumin,Cur)为模型营养物,以固体脂质(单硬脂酸甘油酯)和液体脂质(中链甘油三酯、葵花籽油、甜橙油)及表面活性剂(泊洛沙姆188、卵磷脂、吐温-80)作为筛选对象,采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法进行模拟筛选,再通过正交试验制备NLC以对模拟结果进行验证,最后对NLC的粒径和微观形态等进行表征。模拟与实验结果均表明,单硬脂酸甘油酯-中链甘油三酯(medium chain triglycerides,MCT)-卵磷脂能形成较好的载体体系,固液脂质比为1∶3(质量比),卵磷脂含量为5%(质量分数),姜黄素含量占总脂质的3%(质量分数)时形成的球壳结构最好。优化后制备的姜黄素NLC平均粒径为(233.8±2.4)nm,电位为(-38.2±0.6)mV,包封率为85.06%,微观形态均匀分散、没有明显聚集现象。

液滴聚结动态特性与多体耗散粒子动力学分析

阐述提高冷凝效率并预防结冰,采用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法,模拟两个液滴合并弹跳过程中的动态过程以及跳跃现象,并且探讨这一现象的原理。

Triton X-100/甲苯/水三元体系界面张力的耗散颗粒动力学模拟

采用耗散颗粒动力学方法在介观层次上模拟了非离子表面活性剂TritonX-100在油/水界面上的分布行为,并把用于油/水二元体系界面张力的计算方法拓展到含表面活性剂的三元体系.利用该方法可以得到与实验数值吻合的界面张力数据.另外,模拟结果直观展示了表面活性剂界面张力与界面密度的关系,为表面活性剂复配增效理论提供了依据.该模拟方法给出的微观信息可以为驱油体系配方筛选和表面活性剂有效应用提供指导.

水溶液中嵌段共聚物的耗散颗粒动力学模拟

用耗散颗粒动力学(dissipativeparticledyanmics)模拟方法研究了PluronicL64(PL64)和Pluronic25R4(25R4)三嵌段共聚物水溶液中的介观相分离,模拟了聚合物聚集的动力学变化过程.结果发现,在水溶液中,不同浓度的聚合物溶液表现出不同的介观结构,如分散相、球形胶束、双连续相(bicontinuous)等;而PluronicL64在低浓度时更容易形成双连续相.耗散颗粒动力学模拟可以作为实验的一个辅助,提供介观层次上的信息,对实验起到指导作用.

疏水缔合聚合物溶液性质的耗散颗粒动力学模拟

本文利用耗散颗粒动力学模拟方法,研究了疏水缔合聚合物溶液黏度随浓度、温度、剪切程度等条件的变化,并模拟了聚合物在油水体系中的聚集行为。研究发现,疏水缔合聚合物在溶液中表现出类似表面活性剂的聚集行为,其黏度随外界影响因素变化主要是由于溶液中聚合物聚集结构的转变。聚合物浓度较低时,聚合物主要以分子内缔合作用为主;随着浓度的增加,产生分子间缔合,并逐步形成相互交联的空间网络,水珠子的扩散率逐渐变小,体系黏度增加。当温度较低时,体系呈现较多柱状聚集结构,黏度较高;随着模拟温度升高,尺寸较大的棒状聚集体转变为球状聚集体,水珠子扩散率不断增加,体系黏度逐渐降低。随着体系剪切速率的提高,聚合物分子在受力方向上取向趋于一致,分子间缠绕和缔合程度减轻,水珠子扩散率急剧增加,体系黏度降低。另外,疏水缔合聚合物易吸附于油水界面,对油水体系的乳化和相转变产生一定影响。

高分子液滴碰撞的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟了剪切流中两个变形的高分子液滴相互碰撞过程.高分子液滴由多根有限拉伸非线性弹性珠簧链(FENE链)构成.研究了碰撞分离和碰撞聚合两种情形.讨论了由于剪切流导致的液滴自扩散现象.除了Ca与粘性比之外,液滴之间的界面张力系数对于两个液滴碰撞后聚合或者分离过程有重要的影响.当液滴之间存在界面张力,一定条件下可形成复合液滴.剪切流条件下,组成复合液滴的两个子液滴会出现相互翻滚现象.

杜仲胶/天然橡胶共混物的分子动力学模拟和耗散粒子动力学模拟

应用分子动力学(MD)和耗散粒子动力学(DPD)模拟方法对杜仲胶(TPI)、天然橡胶(NR)的相容性进行了研究。采用MD模拟方法,在COMPASS力场下,对纯物质在不同聚合度下的溶度参数、一系列共混比的TPI/NR共混物内聚能密度、Flory-Huggins作用参数进行了模拟计算,确定了纯物质单链的聚合度,经判断各比例共混物的相容性均较好;采用DPD模拟方法对TPI/NR共混体系的相结构进行了研究,从等密度图可以进一步判断共混体系的相容性;分析比较两种纯物质的径向分布函数,揭示了其相互作用的本质;经过分析比较静态力学性能,发现共混比为1/3的TPI/NR共混物性能最佳,其结论与实验结果一致。

利用耗散颗粒动力学方法模拟优选合成聚表剂的可聚合季铵盐单体

为研究聚合物表面活性剂（聚表剂）分子结构变化对聚表剂和油-水界面性质的影响,优选出最佳性能的聚表剂。以正十六烷基为油相,水为水相,采用耗散颗粒动力学方法（DPD）模拟含有不同可聚合季铵盐表面活性基团的聚表剂在油-水界面的性质,研究了聚表剂摩尔分数及季铵盐基团种类等因素对油-水界面性质的影响。模拟结果表明,模拟体系中聚表剂摩尔分数范围以0.02-0.06为宜;通过模拟优选出最佳季铵盐单体为对甲基苯乙烯基十二烷基二甲基溴化铵（R4）,聚表剂AMR4在油水体系中最佳摩尔分数为0.06,此时界面张力值最低、界面效率最佳且聚表剂分子均方根末端距最大。聚表剂分子几乎全都分布在油-水界面层,其界面活性使得油-水界面厚度增大,油-水界面张力降低。

碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.

星形两嵌段共聚高分子薄膜微相分离的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟研究两类典型的星形两嵌段共聚高分子薄膜的微相分离行为,观察到一系列有序结构,并获得相应的相图.结果表明:(Ax)4(By)4体系的相图比(AxBy)4体系具有更明显的对称性,且前者比后者更易发生相分离,这与体相中的情况相近,而同等条件下,后者比前者更易形成岛状结构;组成相同的星形共聚高分子体系在体相与薄膜中所形成的介观结构之间存在对应关系,且一维受限能够使得该体系所形成的微相分离结构更为多样化;较小的薄膜厚度与较强的A-B组分间的排斥作用均有利于增强所形成结构的有序性.

耗散颗粒动力学模拟油水体系相行为

用耗散颗粒动力学模拟方法(Dissipative Particle Dynamics,DPD)研究了油分子量、油分子浓度、剪切及表面活性剂SDS(十二烷基硫酸钠)对油水体系相行为的影响.发现随着油分子量的增加,油水界面张力增加;随着油浓度的增加,体系由最初的水包油聚集状态逐渐演变为油水分层状态.随着剪切速率的加大,油滴被逐渐拉长,最后断裂;表面活性剂加入油水体系后,以亲水头基伸入水相、疏水尾巴伸入油相的方式分布在油水界面上.

双亲纳米颗粒在选择性溶剂中的自组装行为:耗散粒子动力学模拟

接枝聚合物纳米颗粒在构筑多级功能性纳米材料方面具有很大潜力,但其在选择性溶剂中自组装相图却鲜见报道。利用耗散粒子动力学模拟研究了溶剂选择性、接枝聚合物链长度以及亲水、疏水聚合物链比例等因素对双亲纳米颗粒自组装行为的影响,并绘制了自组装形态相图。结果显示,随着浓度的增大,双亲纳米颗粒逐渐自组装成球状、棒状、二维膜、纳米膜孔等丰富纳米结构。不仅如此,溶剂与亲水、疏水聚合物相容性差异较小时(a _(S-HL)=40k _BT/R_c,a _(S-HB)=50k _BT/R_c),双亲纳米颗粒自组装形成层状纳米结构,在较高浓度时,形成规则的多孔网络结构。研究发现,双亲纳米颗粒浓度和接枝聚合物的链长以及亲水、疏水聚合物链比例是调控双亲纳米颗粒自组装形态的关键因素。鉴于双亲纳米颗粒丰富的自组装行为,它在气体分离、检测、载药、催化剂载体等领域有着很大的潜在应用价值。

磨粒流研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学数值模拟

采用了耗散粒子动力学(DPD)模拟方法,选取三种常用的磨粒晶胞团簇模型进行DPD仿真模拟,建立三种晶胞团簇模型、得到DPD条件下的温度、压力及晶格坐标下压力张量及压力差异系数等的变化趋势,结果发现碳化硅磨粒压力及温度变化性质都较稳定,力学性能最好;进一步对碳化硅磨粒晶胞团簇模型分析,得到稳定状态后的压力为22.6Pa,温度为1.0KT。

长棒状T形三组分双亲分子相行为的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学方法建立了以侧链长度和温度为变量的相图,计算了相关结构参数及每个液晶相对应侧链的有效体积分数,重现了实验上观察到的五边形、六边形柱状相及刚棒在层内位置的有序堆垛层状结构.研究发现,长棒状T形三组分双亲分子相图中的相序列和相结构符合相关报道,并且侧链有效体积分数f L与实验值一致.表明粗粒化模型反映了真实T形分子的主要特性,如分子的拓扑结构、排除体积效应及分相趋势、刚棒液晶基元的长径比和侧链的空间效应.证实了侧链尺寸对主/侧链非线性连接体系的自组装结构及各组成单元的位置分布的重要作用.

纳米流体中纳米颗粒分散性能的分子动力学模拟

建立以水分子为基础液、中空SiO_(2)纳米颗粒为悬浮粒子的纳米流体模型,采用分子动力学模拟方法研究中空SiO_(2)纳米颗粒在水中的运动特性.结果表明,纳米颗粒在水中首先进行无规则运动,随后相互靠近、黏结,最后达到相对平衡.水分子的加入可以延缓纳米颗粒的团聚,但不足以形成稳定的纳米流体.纳米流体中纳米颗粒间相互作用能为-632kJ/mol,表现为相互吸引,纯纳米颗粒和纳米流体中的纳米颗粒一旦发生聚集,将无法自行分散.纳米流体中距离纳米颗粒表面较近的水分子扩散系数接近于零;距离纳米颗粒表面越远,水分子扩散系数越大,直至2.43×10^(-9)m^(2)/s.这意味着纳米颗粒在运动初期靠近速度较快,随纳米颗粒间距离的缩短其靠近速度变慢.

聚表剂耗散颗粒动力学模拟及溶液特性研究

为了提高高矿化度非均质稠油油藏的采收率,基于耗散颗粒动力学(DPD)模拟,对聚合物表面活性剂KL-6的溶液特性进行了研究,分析了KL-6的分子结构及水溶液增黏机理,并与部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)进行了对比。利用DPD方法模拟了PAM、HPAM、KL-6在水溶液中的溶解状态,研究了分子链结构对聚合物分子行为的影响,分析了不同浓度HPAM和KL-6溶液的增黏性;比较了HPAM和KL-6溶液的增黏性、表面活性、抗盐性及两种聚合物溶液的微观结构。结果表明,聚表剂KL-6具有分子间缔合作用和表面活性,其临界缔合浓度为0.6 g/L;在临界缔合浓度以上,KL-6溶液黏度显著高于HPAM;在相同浓度下,KL-6溶液的表/界面活性显著高于HPAM;盐溶液中KL-6分子链形成了三维网状结构,具有很好的抗盐能力。研究结果可为开发和应用性能优异的聚合物表面活性剂提供理论指导。

典型碱金属氟盐黏度分子动力学模拟评估

对碱金属氟化物LiF、NaF、KF熔盐黏度进行分子动力学计算,并利用实测值对计算结果进行评估,结果表明:在范德华势的基础上,引入核壳模型库仑势,并加入极化能量后作为势函数,依据能量耗散原理,通过Gromacs软件对LiF、NaF、KF熔盐在温度1 100~1 700 K范围内选点进行黏度计算,能够准确表达温度、碱金属离子半径与黏度的定性关系;计算的结果有系统性负偏差,主要原因及解决方案包括:(1)LiF、NaF、KF熔盐体系黏度描述模型采用严格的牛顿流体模型,而实际LiF、NaF、KF熔盐体系为似牛顿流体,需要对体系离子加速度方程添加修正项;(2)库仑常数(β)、极化率(α)以及核电荷量(qcore)是决定计算精度的关键参数,库仑常数的基础值以及合理的核电荷量和极化率的匹配关系对计算结果有显著影响。