水和甲醇在二维受限下相变的分子动力学模拟研究

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分子动力学是一种非常重要的计算机模拟方法,目前已得到广泛应用。水是是自然界最常见的流体,它表现出的许多不同寻常的性质吸引了众多的物理学家。Han等人[Han2010]采用无结构的准二维疏水板研究了水的相变过程,发现存在一个临界密度,在临界密度之上的一定范围内发生连续相变,之下会发生一阶相变。我们通过分子动力学模拟研究了在有结构的二维疏水板下水的相变特征。在受限方向上采用了三个不同的厚度d=0.8 nm、d=0.9 nm、d=1.0 nm,分别计算其势能、径向均方位移MSD、横向密度分布TDP(z)。其中在d=0.8 nm下,推断在1.29 g /cm3和1.23 g /cm3之间应该存在一个临界密度ρc,在临界密度之下发生一阶相变,在临界密度之上相变会变得准连续。并且ρ=1.07 g /cm3增大到1.23 g /cm3过程中,相变温度随着密度的增大不断下降;ρ=1.29 g /cm3增大到ρ=1.48 g /cm3过程中,相变温度随着密度的增大不断升高。通过对比ρ=1.07 g /cm3在不同厚度的受限体系内的相变,推论该密度下受限方向可能会存在两个临界值dmax和dmin,当d﹤dmin和d﹥dmax时固液之间的相变是一阶相变,当dmin﹤d﹤dmax时固液之间的相变是准连续的。然后采用同样的方法研究了甲醇体系在有结构的二维受限下的相变过程。从我的模拟结果可以发现在d=1.0 nm和d=1.2 nm两个不同的厚度下,甲醇在不同密度下得到的结论是一致的:(1)势能曲线是连续变化的,没有突变表明没有一阶相变产生;(2)分析其径向均方位移MSD,通过计算扩散系数可以知道对于不同的密度甲醇随着温度的不断降低都会发生相变,结合前面对水的分析,我认为是发生了连续相变;(3)分析其横向密度分布TDP(z),发现均呈现连续变化,ρz峰值随温度的升高不断下降,没有突变产生,和前面的势能变化曲线是一致的。通过前面对水的分析,我们推测对于甲醇而言,d=1.0 nm和d=1.2 nm处于dmin﹤d﹤dmax区间,其固液之间的相变是准连续的。
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