CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2019年
极化表面有序水的结构、能量和氢键弛豫时间
邵士靖
Subtype硕士
Thesis Advisor方海平
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
Degree Discipline粒子物理与原子核物理
Keyword分子动力学模拟 有序结构 静电作用 氢键 氢键弛豫时间
Abstract纳米科学从上世纪90年代以来成为当今科学研究的一个热点,它所研究的对象是在1至100纳米范围内的材料不同于宏观尺度上的新奇物理特性。纳米材料的奇特或反常的物理、化学特性,主要有三大效应:表面效应、小尺寸效应和量子隧道效应。这些特点吸引着许多科学家的研究兴趣,并可能制造出功能新颖、应用广泛的产品。纳米尺度下物质的界面性质是纳米科学技术研究一个重要的分支,其中,水在纳米尺度下的界面行为是一个非常重要的课题。对界面水的研究可以帮助我们理解不同材料的表面腐蚀过程、控制表面吸附特性,并对制造微流动器件、自清洁材料等许多方面有重要的帮助。另外,更重要的是,水在生命进化过程中起了重要的作用,水被称为“生命源泉”,没有水就没有生命,界面水的研究可以加深我们对一些生物过程的理解,例如蛋白质折叠、生物膜的形成等。 水的重要性和它的特殊性质密切相关,这与它本身特殊结构有关。水与其他物质的很大不同在于水分子之间或者和其他分子可以形成氢键,而界面上水也往往体现出既不同于体相水性质,也不同于单个水分子的性质。由于水分子之间会形成氢键,所以一般认为水总是会完全浸润水。那么,常温下水是否总是完全浸润水呢?我们组之前的研究已经发现,在一些特殊的表面,界面单层水表现出特殊的有序行为,出现常温下“不完全浸润的单层有序水”的特殊现象。2010年以来,陆续的有理论和实验工作发现,类似的“不完全浸润的有序单层水”现象也会出现在其他真实的表面上,例如,在滑石表面、铂(100)表面、羟基化的三氧化二铝(Al2O3)表面、羟基化的二氧化硅(SiO2)表面、蓝宝石(sapphire)表面、尾端为羧基(–COOH)的自组装单层表面。这些结果显示出,在自然界中,这种常温下“不完全浸润的单层水”现象可能是普遍存在的。在本论文中,我们通过经典分子动力学模拟继续研究了这一现象。我们通过研究不同的极化表面,包括不同的表面电荷和结构参数,对单层有序水及其氢键行为的影响,包括有序水的结构、能量和氢键弛豫时间(氢键弛豫寿命),这将进一步帮助人们理解有序水的性质。首先我们分析出单层水的水分子在表面正负电荷的作用下,会呈现两种不同的分子状态,状态一:正电荷吸引水分子中的氧原子;状态二:负电荷吸引水分子中的一个氢原子,也就是出现-OH指向负电荷。随着表面电荷和表面键长的变化,单层水水分子结构会发生改变,单层水的性质也随之改变。我们计算了表征单层水水分子有序状态的两个角度参数,发现表面电荷增大,单层水变得越来越有序。而随着表面键长增加,单层水先逐渐形成有序结构,键长继续增加,单层水有序结构逐渐被破坏。我们详细计算了单层水分子和表面带电原子之间的静电相互作用,单层水有序结构是在约束电荷的作用下形成的,同时表面的负电荷对水分子的吸引作用更大。通过对水层密度和平均力势的计算,我们理解表面对水分子有吸附作用,这导致表面水分子形成不同于体相水的单层水。最后我们计算了单层水的氢键数和氢键的自相关弛豫时间,我们发现单层水中每个水分子层内可以形成多于两个的氢键,单层水可以形成二维的氢键网格构型,这种有序水的结构减小了单层水中水分子和单层水上水分子形成氢键的概率。单层水氢键的自相关弛豫时间远远大于体相水水分子间的弛豫时间。对单层水这些性质的计算,可以帮助我们更好的理解有序单层水的形成机理,并且对单层水的充分理解可以有助于将这些性质用来制造更好的新材料。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/14795
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2019年
Recommended Citation
GB/T 7714
邵士靖. 极化表面有序水的结构、能量和氢键弛豫时间[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2014.
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