毛细玻璃管纳米通道拉伸的分子动力学建模

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国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(批准号:2011CB707602);国家自然科学基金资助项目(批准号:50975136,51275229)。基于纳米孔的纳流体器件被认为是第三代DNA测序的基础,相对于传统的生物纳米薄膜上构造出的纳米孔,采用玻璃基制备的纳米孔有更高的结构强度和更长的使用寿命。制造出5纳米以下玻璃基纳米孔是对现代制造极限的挑战,本文围绕相关的基础科学问题进行研究,分析了纳米尺度下熔融玻璃管拉伸成型的影响因素,对实际加工制造过程具有指导意义。本文首先介绍了分子动力学的发展历史,并详细介绍了当前分子动力学常用的概念和基本方法;然后描述了利用周期性边界条件建立了纳米尺度下的玻璃管分子动力学模型并模拟了一段微观玻璃管在一定温度下的弛豫过程;最后结合Si-O势函数研究了弛豫结果在不同应变率拉伸下的管径变化规律。模拟结果首次揭示了5纳米尺度的玻璃管拉伸过程玻璃管轴向所受拉力与应变之间关系,统计了不同应变率拉伸载荷下的玻璃管内、外径的变化规律,计算得到了不同应变率下的径向分布函数;另一方面,本文统计了拉伸过程中玻璃管轴向所受拉力与温度之间的关系,随着温度的升高对玻璃管的弹性变形阶段明显变长;在研究中还发现玻璃管在拉伸断裂后,发生一定程度的颈缩现象。通过分子动力学方法研究了熔融玻璃管的拉伸规律,为玻璃基纳米孔的制造提供理论依据。
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