溴化钾团簇的相变和成核的分子动力学模拟

论文摘要

相变和成核都是微观过程,实验研究较为困难。尽管相变和成核的研究在科学技术领域中十分重要,但对原子或分子层次上演化的细节所知有限。近年来,计算机模拟技术建立了体系微观细节与实验上关注的宏观性质之间的联系。 我们对（KBr）108、（KBr）256、（KBr）500和（KBr）864团簇进行了分子动力学模拟,并分析了它们的结构、能量和相变的动力学行为。采用Born-Mayer-Huggins势能函数重现了这些团簇在加热和冷却过程中的熔化和凝固现象。采用总能量曲线、Lindemann指标和双体相关函数来表征加热和冷却过程中的相变。模拟结果表明,熔化的离子簇的外形不是球形。团簇的熔点和熔化焓与团簇半径的倒数呈线性关系。由此外推得到的大块KBr固体的熔点和熔化焓数值与实验值接近。 另一方面,我们利用分子动力学模拟技术研究了熔化的（KBr）256、（KBr）500和（KBr）864团簇在骤冷时的均相成核。随着团簇的增大和骤冷温度的提高,成核速率明显减小。由此导出的固液界面自由能σsl数值（42.4-52.3mJ/m2）和Turnbull关系式预测的结果、以及Buckle和Ubbelohde实验观察得到的结果接近。根据经典成核理论,在400K到600K温度范围内推得的临界核大小约为6.5～20.7对K+Br-离子对。通过外推得到的大块KBr在凝固温度下的临界核约为45对K+Br-离子对,这个结果与NaCl的实验值相近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• §1.1 凝聚态物质的相变和成核
• §1.2 团簇的研究
• §1.3 碱金属卤化物的分子动力学研究
• 第二章 分子动力学模拟原理
• §2.1 理论基础
• §2.2 模拟过程需要考虑的重要问题
• 第三章 计算过程
• 第四章 结果与讨论
• §4.1 KBr团簇相变
• §4.1.1 KBr团簇的结构
• §4.1.2 KBr团簇的热力学性质
• §4.2 KBr团簇均相成核
• §4.2.1 成核时间
• §4.2.2 成核速率
• §4.2.3 界面自由能
• §4.2.4 临界核的大小
• §4.2.5 KBr的晶体生长
• §4.2.6 结晶结构
• 第五章 结论
• 参考文献
• 已发表和待发表的论文
• 致谢