水在二维受限条件下的晶体结构和相变研究

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近年来,随着计算技术的飞速发展,为量子化学计算乃至理论化学方法提供了有力的工具,使其也得到了快速发展。计算化学也从静态向动态发展。分子动力学计算模拟是在原子量级上模拟体系性质的,它将微观粒子或粒子团的结构、粒子间里的知识与牛顿力学结合起来。分子动力学用经典的牛顿力学定律模拟粒子的运动,在模拟化学材料的性质和结构中具有重要作用。   当水分子受限于纳米条件下时,因为和界面之间的相互作用使得其结构和物理性质明显不同于体相。例如,受限导致体系产生新的热力学性质并形成多种复杂的多晶结构。因此,近些年来大家热衷于对受限水的模拟研究。本论文对受限于无限大光滑疏水板下的水薄层进行分子动力学模拟,研究其相变过程和结构变化。疏水板间距分别为0.8 nm、0.9 nm、1.0 nm、1.1 nm和1.2nm。这些模拟过程中体系出现了可逆的一阶相变和连续相变的现象。我们共得到了3种晶体结构,其中褶皱的五边形双层冰(puckered pentagonal bilayer ice,pPBI)和平坦的六-四边形三层冰(flat hexagonal-rhombic trilayer ice,fHRTI)是新发现的结构。这两个结构是在压强为1 GPa,板间距分别为0.9 nm和1.0 nm的分子动力学模拟中产生的。这三种晶体都满足冰规则,每个水分子都拥有4个氢键。   pPBI中的水分子以空间五边形结构存在,且每层的氧原子不在同一平面内。它的氢键网络较为复杂:靠近板的两层水分子可以在各自的平面内以及与其亚层形成氢键。中间的亚层只能和上下两个靠近板的水分子层形成氢键,但是亚层之间不能形成氢键。在fHRTI中三层的面密度几乎相等;靠近板的两层冰水分子形成的是六边形结构,其中每个水分子在平面内形成3个氢键和中间层形成第4个氢键;中间层是四边形结构,层中的水分子在面内形成2个氢键和上下层形成2个氢键。另外一种冰相为已被报道过的平坦的六边形双层冰(fHBI),产生于板间距为0.8 nm,压强为100 MPa的模拟。水分子在平面内形成3个氢键,层间形成1个氢键。
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