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科技创新论文
纳米团簇拉伸与压缩行为的
计算机模拟研究
关键词:团簇、拉伸与压缩、作用力
摘要:本课题使用经典作用势的分子动力学计算机模拟,研究了金13原子团簇(Au13)的拉伸和压缩过程。发现在拉伸过程中,载荷力振荡变化。随着拉伸形变的增加,载荷力呈现出了若干峰值。不同温度下,由于热运动的扰动,使得温度越高团簇的稳定性越差,所以导致了载荷力峰值的降低及其对应拉伸形变的减小。在压缩时,载荷力也会随着压缩形变的增加而上升。在达到一个峰值后,随着团簇结构的突变,载荷力急剧减小。比较不同温度下的曲线可以发现,同样由于团簇中原子的热运动的影响,温度越低载荷力的峰值越高,峰值对应的压缩形变量也越大。团簇压缩过程中载荷力的峰值明显大于相应的拉伸过程的载荷力峰值,表明团簇在压缩过程中可以承受较大的作用力。而另一方面,在拉伸时团簇原有结构破坏之前,其拉伸形变可以达到更大的数值,这说明团簇的拉伸延展性能更好一些。当团簇拉伸形变量远远超过了载荷力第一个峰值对应形变量时,撤掉对拉伸原子的约束,发现在某个临界温度以上,团簇可以自发地恢复到原有的二十面体结构,只是各原子在空间的位置发生了一定变化。团簇在较低温度时,随着拉伸的进行,可以形成几个原子长度的单原子链。这与已有的实验结果相一致。
一绪论
所谓团簇指的是由几个乃至上千个原子、离子或分子通过物理或化学结合力构成的相对稳定的聚集体。其结构与性质及不同于一般的分子也不同于相应的大块固体,一般随着所包含的粒子数目和结构而发生变化。因此,团簇被许多科学家看作是处于微观的原子分子和宏观块体之间的新的物质层次,甚至有人称之为物质的第五态[1,2]。
团簇在自然界广泛存在,例如大气、云雾、岩石、土壤以及许多人工制备的材料之中。在实验室中,人们利用分子束以及激光技术制备出了元素周期表上几乎所有元素对应的团簇。当然,团簇的组分可以是多种多样的,同种元素的原子可以组成团簇,不同种元素的原子也可以组成混合团簇。团簇有带电的,也有电中性的。
团簇在工农业生产的许多领域尤其是高科技领域有着非常广阔的应用前景。在能源工业中,团簇可以用来制造高效的燃烧催化剂以及烧结剂。团簇具有极大的比表面积,是一种非常好的催化剂,现在已经有多种团簇被应用于大规模的化工产业之中。团簇还可以应用于微电子器件的研究,例如可以使用团簇点阵构成新型的电子存储器等等。还可以用团簇构成所谓的“超原子”,其具有很好的时间特性,是未来“量子计算机”的重要单元。在新材料的开发方面,还可以使用团簇作为新材料的基本单元,改善或使其具有新的功能和特点。
目前,人们已经对团簇的许多特性,例如,结构特性、电特性、磁特性、电子输运特性以及热力学特性等等进行了许多研究,得到了大量的有意义的结果。近期的研究结果如:庄琼云等研究了简单金属铝小团簇的磁性[3]。郭仁青和段海明采用Gupta 原子间相互作用势研究过度金属
Co等元素的结构演化行为[4]。
原子或分子团簇的尺寸处于纳米尺度范围,属于纳米科技的研究范畴。而从上个世纪九十年代开始,由于纳米体系显示出的某些与宏观体系截然不同的奇异性能而激起了材料、机械、信息、制药、化工以及基础科学许多科研人员的极大兴趣。伴随着纳米机械系统的产生以及发展,纳米尺度下的结构力学行为的探索就变得日益重要迫切,这使得纳米材料的力学行为与性能的研究也成为了纳米科技研究领域的的焦点问题之一。随着技术水平的提高,近年来,纳米材料的实验手段也有了很大进步,纳米材料的制备方 1
法、力学加载方式以及纳米范围的观测与测量手段都有很大发展。理论研究上,纳米计算与模拟领域也对纳米材料的的力学行为进行了大量的计算和模拟,取得了大量有意义的成果。经典的或第一性原理分子动力学可以计算原子运动的演化过程进而揭示宏观块体、纳米材料结构的形变、力学特性及其内在的机制,所以在材料形变和力学行为特性研究中被广泛使用。例如:付称心等采用SW势使用经典分子动力学方法对各种不同类型的硅纳米杆的拉伸特性以及力学性质进行了模拟,得出了其相应的应力应变曲线图
[5]。
也有人对C60团簇的压缩力学性能进行了研究,根据模拟计算的结果,分析了C60等团簇的压缩力学特性的特点[6]。但相对而言,人们对团簇形变(如团簇的拉伸和压缩)以及相应的力学特性研究则相对较为滞后,目前所报道的科研结果数量较少。本论文以金13原子团簇为研究对象,对其拉伸和压缩的形变行为以及相应的力学特性进行了较为全面的研究,得到了一些区别于宏观块体及纳米杆特性的一些有意义的结果。
二计算方法及参量的选择
分子动力学[7]是确定性的一种模拟方法,分子动力学可以分为经典分子动力学和第一性原理分子动力学。第一性原理分子动力学是基于高深的量子理论而建立起来的,本论文没有涉及。