基本信息
- 项目名称：
- 二氧化硅热力学性质的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 文中采用分子动力学方法模拟研究了二氧化硅分子单元个数N=3到12之间的4种二氧化硅纳米团簇在温度T=100K到600K下比热容的变化情况。从计算结果可以看出，二氧化硅纳米团簇的比热容比其体材料的要小，并且随着团簇尺寸增加而增大；同一团簇，温度越高，其比热容也越大。该结果与理论分析大致上是吻合的，反映了团簇与体材料是有区别的，本文从微观分子水平出发，简单的探讨了这一差异产生的原因。
- 详细介绍：
- 二氧化硅因其具有高纯度、低密度、高比表面积、分散性好、表面硅醇基与活性硅烷键能形成强弱不等的氢键、光学性能和机械性能优良而广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、玻粘结剂、高填料、密封胶、涂料、光导纤维、精密铸造等诸多行业的产品中，特别近年来，二氧化硅在军事、通讯、电子、激光技术、生物学等领域有了越来越广泛的应用。二氧化硅是科学技术领域的重要材料，因此人们对二氧化硅的研究相对比较深入。 近年来，团簇是实验和理论研究的热门课题，对二氧化硅分子层次的理论研究可以有助于对块体二氧化硅材料的进一步了解。但是对纳米团簇用实验的方法进行研究是有一定难度的,因此到目前为止，还没有能从实验得到描述团簇的原子能量分布特征以及熔化过程中这些分布情况的变化特征的大量准确的数据，而这些特征对于了解纳米团簇熔点降低的本质以及建立熔化模型又是至关重要的。而分子动力学计算机模拟正好是研究纳米团簇的种种物理性质的理想工具。这一技术既能得到原子的运动轨迹,还能像做实验一样进行各种观察。分子动力学方法,是材料微尺度热物理性质计算机模拟中常用的一种方法。在分子动力学模拟中，往往将分子的动力学行为看做遵循经典牛顿运动定律，通过求解某一给定势场中相互作用粒子的运动方程,得到分子随时间演化和详细轨道图景,并由统计力学计算系统的物理参量。 本文模拟计算了单元个数为3个、6个、9个、12个的二氧化硅纳米团簇在温度分别为100，200，300，400，500，600K时的热容。在计算过程中所采用用的是Materials Studio软件包，由实验值取Si—O键长为0.160 9 nm,Si—O—Si键角为143.663°,O—Si—O键角为109.396°。按照物质在稳定状态时能量最低这一原理，用牛顿法和共轭梯度法优化模型后，采用周期性边界条件，在正则系综中进行动力学模拟，选择Andersen热浴作为温度恒温器，根据模型的大小和温度的高低选取足够长的模拟时间(百ps量级)使系统达到动态平衡。初始速度由高斯型分布随机数发生器产生,服从Maxwell- Boltzman分布，由COMPASS力场确定分子间作用力，通过Verlet算法产生分子的运动轨迹，时间步长为1 fs，每隔200 fs对分子速度、坐标以及能量等信息进行提取，利用粒子运动过程能量的涨落求得薄膜定容比热容，即，其中E为系统的总能量，为玻尔兹曼常数，T为系统的热力学温度。 模拟结果表明二氧化硅纳米团簇的比热容比其块状物质的要低，并且同一团簇，温度越高，其比热容也越大。该结果与现有理论分析大致上是吻合的，揭示了纳米团簇与宏观尺寸上的热力学性质是有差别的。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 对二氧化硅分子层次的理论研究可以有助于对块体二氧化硅材料的进一步了解，本文用分子动力学的方法模拟研究二氧化硅纳米团簇的热容与温度及团簇尺寸的关系，同时与块体二氧化硅材料的相关性质进行比较，寻找二者之间的共同点及差异。
科学性、先进性及独特之处
- 团簇是实验和理论研究的热门课题，但是对纳米团簇用实验的方法进行研究是有一定难度的，而分子动力学计算机模拟正好是研究纳米团簇的种种物理性质的理想工具。
应用价值和现实意义
- 二氧化硅是科学技术领域的重要材料，对二氧化硅分子层次的理论研究可以有助于对块体二氧化硅材料的进一步了解。
学术论文摘要
- 文中采用分子动力学方法模拟研究了二氧化硅分子单元个数N=3到12之间的4种二氧化硅纳米团簇在温度T=100K到600K下比热容的变化情况。从计算结果可以看出，二氧化硅纳米团簇的比热容比其体材料的要小，并且随着团簇尺寸增加而增大；同一团簇，温度越高，其比热容也越大。该结果与理论分析大致上是吻合的，反映了团簇与体材料是有区别的，本文从微观分子水平出发，简单的探讨了这一差异产生的原因。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 【1】毋志民,何焕典,罗强.银、钴和铂原子纳米团簇熔化过程的分子动力学模拟[M].原子与分子物理学报,2004. 【2】SUN H. COMPASS: An ab Initio forcefield optimized for condensed-phase applications -overview with details on alkane and benzenecompounds [J].Phys Chem B, 1998. 【3】方俊鑫,陆栋.固体物理学[M].上海:上海科学出版社, 1993. 【4】FRENKEL &SMIT.分子模拟——从算法到应用[M].汪文川,周健,曹达鹏,等. 北京:化学工业出版社, 2002. 【5】RAPAPORT D C.The Art of Molecular Dynamics Simulation[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1995. 【6】陈则韶,葛新石,顾毓沁.量热技术和热物性测定[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 1990.
同类课题研究水平概述
- 二氧化硅因其具有高纯度、低密度、高比表面积、分散性好、表面硅醇基与活性硅烷键能形成强弱不等的氢键、光学性能和机械性能优良而广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、玻粘结剂、高填料、密封胶、涂料、光导纤维、精密铸造等诸多行业的产品中，特别近年来，二氧化硅在军事、通讯、电子、激光技术、生物学等领域有了越来越广泛的应用。二氧化硅是科学技术领域的重要材料，因此人们对二氧化硅的研究相对比较深入。在纳米尺度范围内,由于各种尺度效应的影响,纳米团簇的热力学性质与常规体材料的有很大不同，纳米团簇的热力学性质的研究对于二氧化硅材料的应用具有极其重要的意义。但是在目前条件下,通过实验进行是比较困难的,而近年来发展的分子动力学模拟疑成为了解纳米团簇性质的理想工具，国际上采用分子动力学模拟固体热力学性质的研究正迅速开展起来。
