软粒子束晶体的形成动力学模拟研究

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在不同的条件下,软球胶体可以处于液态、固态或液固共存态。随着密度和温度的改变,软胶体粒子可以完成一个从液态到固态的一阶相变过程,也可以在高温时重新熔化使得粒子重新结合形成新的结构,在低温时可以产生固体-到固体的相转变,我们称之为同构相变,从而形成一个新的固体结构。有一种晶体结构,其中每个晶格位置被几个重叠的粒子占据,即使粒子表现出不同寻常的软化,粒子的重叠度也是有限的,被称为束晶(cluster crystal)。我们通过计算机模拟研究了Generalized Exponential Model of index 4模型粒子形成Multiply Occupied Crystal束晶的动力学过程。探究软胶体粒子体系在条件相同但动力学路径不同的情况下是否会得到相同的相结构,以及动力学路径对结构影响的规律。首先,本文研究了高斯势(r)=εexp「-(r/σ)~n」(n=4)模型粒子在NVT系综下的动力学行为,查看胶体粒子在降温或压缩后形成新的软粒子束晶的过程。由于实验无法获得微观的动力学过程,通过分子动力学模拟可以方便的得到详细的动力学信息,从而更加细致地了解软粒子束晶形成的机制。针对该体系,我们搭建一个包含分子动力学模拟和数据分析的研究平台,并对模拟条件进行了测试和筛选。由于粒子在高斯势的作用下软化度很高,很容易发生重叠,因此判断哪些粒子属于同一个束晶至关重要。我们通过选择不同的截断半径R来确定束晶包含粒子的范围。在这样的前提下本文计算了径向分布函数g(r),发现选择径向分布函数中第一个波谷的作为截断半径R=0.4是最优的。我们利用基于统计力学而提出来的一种控温方法,Nose-Hoover热浴对体系进行控温。通过一系列的研究,我们建立了降温或压缩的合理的动力学模拟方案。最后,本文采用分子动力学的模拟研究方法,通过等温压缩和等密度降温这两个不同热力学路径,研究了束晶形成的动力学过程。通过等温压缩,我们发现该体系随着密度的改变,结构经历“无序?FCC1?FCC1和BCC共混物?FCC2?BCC2”的变化过程,同时粒子形态从单粒子转变到二聚体。和蒙特卡洛模拟结果相比,分子动力学模拟得到的结构随着密度的变化有明显的迟滞现象。另一方面,为了全面了解胶体粒子的重入熔融以及同构转变的现象,我们模拟等密度降温,发现该体系的结构变化为“无序的聚集体?FCC2?FCC3”。且形态存在着一个临界值,该临界值决定着二聚体形态和单粒子形态在体系中数目的多少,即大于该临界值,体系中二聚体数量占据着主导。从等温压缩和等密度降温这两个不同的热力学路径来看,我们发现不同的路径得到的结果不完全相同。在同样密度和温度下,通过等温压缩得到的结构是BCC2,而通过等密度降温或者蒙特卡罗模拟得到的结果是FCC3。因此,动力学过程会对模拟结果产生很大的影响,甚至得到不同的结构。我们认为分子动力学模拟的结果与蒙特卡洛模拟结果的不同,是由于分子动力学模拟考虑了真实的动力学因素引起的差异。
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