水分子团簇模拟及其在观测冷凝过程的应用

在气液相变过程中,水分子相互作用形成团簇,并产生分子间氢键,从而影响了羟基的振动频率。尺寸不同的团簇体系内氢键网络特性不同,红外吸收频率可反应OH所处的相邻氢键以及周围氢键的环境。本文采用密度泛函理论计算了不同尺寸水团簇的稳定结构和红外频率,分析了红外振动频率与团簇尺寸之间的演变关系。结果表明随着尺寸增大,内部水分子结构可能发生转变,(H2O)n团簇结构趋向于紧密的球形,并且伸缩振动频率向低频演化。研究结果可为通过红外光谱技术检测和确定团簇尺寸提供参考依据,并有可能用于水分子团簇在近壁区核化和生长过程的量化检测。     

细乳液法合成单核核壳结构氧化硅/聚苯乙烯复合微球

采用细乳液聚合法,以3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)表面改性的直径50nm的氧化硅粒子为核,在乳化剂、助乳化剂、引发剂存在的情况下制备了小粒径、单核核壳结构氧化硅/聚苯乙烯纳米复合微球.研究表明,苯乙烯的浓度、超声细乳化时间,是制备这种小粒径、单分散、单核核壳结构的氧化硅/聚苯乙烯纳米复合微球的关键因素.透射电镜(TEM)的观察显示,在优化的实验条件下,可以制得平均粒径95nm,壳厚20nm,粒径均一、球形规整度较好、单核核壳结构的氧化硅/聚苯乙烯纳米复合微球.其平均粒径远低于用其它聚合方法制备的复合微球.     

SDS-油-水体系的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学方法,对SDS-油-水体系进行了模拟研究。模拟结果表明,表面活性剂SDS在水溶液中可以形成胶团聚集体,聚集体的大小随着表面活性剂浓度的增加而增大。随着油水比例的增加,SDS-油-水体系形成了3种不同的构型图,即水包油型(o/w)微乳液、油-水两相界面、油包水型(w/o)微乳液。     

氧化镁壁面上水纳米液滴润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究氧化镁壁面-水纳米液滴体系的润湿特性。探讨了温度对密度分布及接触角的影响,研究了水分子在氧化镁近壁处的排布规律。模拟结果表明,氧化镁壁面具有润湿水纳米液滴的特性;随着温度的升高,氧化镁壁面-水纳米液滴体系的接触角不断减小,即润湿性不断增强。氧化镁近壁处的水分子中的两个氢原子,一个靠近氧化镁壁面,另一个远离氧化镁壁面。     

粗糙壁面上水纳米液滴润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究水纳米液滴在粗糙壁面上的润湿性,探讨壁面形貌、柱高和相面积分数对接触状态和接触角的影响。模拟结果表明,在粗糙度因子相同的情况下,水纳米液滴在栏栅形、方柱矩阵形及凹坑矩阵形三种粗糙壁面上的接触角相差不大。对于疏水性壁面,当柱高较小时,水纳米液滴的接触状态为Wenzel模式;当柱高较大时,接触状态为Cassie模式,随着柱高的增加,接触角逐渐增大。在不同的相面积分数下,接触状态始终处于Cassie模式;随着相面积分数的增加,接触角逐渐减小。对于中性壁面,水纳米液滴的接触角随柱高变化不大,接触状态均为Wenzel模式。当相面积分数较小时,接触状态为Wenzel模式;当相面积分数较大时,接触状态为Cassie模式,接触角基本不变。对于亲水性壁面,当相面积分数较小时,水纳米液滴的接触状态为Wenzel模式;当相面积分数较大时,接触状态为Cassie模式。在不同的柱高下,接触状态均为Wenzel模式。     

碳酸镁结晶过程离子团簇与扩散成核机制

理解离子的团簇演化成核机制可以更好地进行结晶过程的调控。基于分子动力学模拟研究了结晶温区、溶质离子浓度等对溶液结晶成核与生长过程的影响,并探讨了溶质离子的团簇演化规律。结果表明,溶质离子的扩散速率与物质结构和分子间作用力有关,并且与成核或晶界生长过程的团簇演化相互影响。在此研究范围内,溶质离子浓度一定（1.71 mol/L）时,388 K体系的成核与生长能力最强,是晶界引导无水碳酸镁生长、干扰镁离子和水分子结合的最佳温度,吸附在晶界的溶质离子分数为28.33%;一定温度下（298 K）,溶质离子浓度为3.99 mol/L时最有利于晶体生长,吸附在晶界的溶质离子分数为32.14%,且该浓度起到了最佳的脱水效果,有利于形成无水碳酸镁。这为获得结晶良好、形貌均匀的无水碳酸镁等工艺技术提供了理论依据和指导。     

水-正十六烷混合物纳米液滴润湿特性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了水-正十六烷混合物纳米液滴在光滑及粗糙壁面上的润湿特性。模拟结果表明,对于光滑的疏液性和亲液性壁面,随着温度的升高,混合物纳米液滴的接触角呈总体增大的趋势;随着正十六烷体积百分数的增加,混合物纳米液滴的接触角增大。对于疏液性粗糙壁面,随着凸起高度的增加,混合物纳米液滴的接触状态由Wenzel模式转换成Cassie模式,其接触角逐渐增大;随着凹陷宽度的增加,混合纳米液滴的接触状态由Cassie态转变为Wenzel态,其接触角总体上是减小的。对于亲液性粗糙壁面,混合物纳米液滴的接触状态均为Wenzel模式;随着凸起高度的增加,接触角呈总体增加的趋势。     

蒸汽冷凝近壁过渡区团簇演化特性

基于近壁几百微米厚度空间中纳米尺度团簇的演化特点,综合定态凝结过程的唯象特点,采用分子动力学模拟的方法,通过多个不同过饱和度下的抽样体系模拟,构建出近壁空间中的团簇演化和温度渐变的图景。分析发现,近壁空间中蒸汽温度随离壁距离的渐变曲线存在一个特征转折点,并以该点为界,近壁空间可分为靠近壁面的团簇的稠密分布区和靠近蒸汽体相的扩散发展的过渡区。随着初始蒸汽压力的降低,转折点位置向过冷壁面靠近,导致相对更薄的分子稠密区。而随着不凝气含量的增加,相应的团簇扩散发展的区域变宽,这说明不凝气存在时,要达到与纯蒸汽条件下相似厚度的分子稠密区,需要更高的过冷度,也从唯象角度解释了不凝气存在对凝结换热效率的极大影响。最后,根据近壁区团簇分布演化的这些特点,指出了强化或调控传热传质的新概念,不仅可以对壁面上的微纳功能结构进行设计,还可考虑近壁空间中的材料结构设计,从蒸汽体相空间入手来调控团簇演化。