强激光与粒子束
2024, 36(1): 016003
1 西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710064
2 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710064
超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工，已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石，笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合过程中原子尺度的理论研究，探讨了目前针对超快激光加工的多物理场跨尺度耦合模型，分析了这些模型的仿真结果及局限性，总结了超快激光加工理论模型所面临的挑战，并对未来的研究重点进行了展望。
超快光学 超快激光 密度泛函理论 电子激发 双温方程 分子动力学 流体力学 耦合模型
1 苏州热工研究院有限公司苏州 215004
2 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
3 西南石油大学 新能源与材料学院成都 610500
4 国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心苏州 215004
镍、铁和钨基合金常被用来作为反应堆的候选结构材料，在反应堆中面临中子辐照的严苛服役环境。本文采用分子动力学方法研究了金属镍、铁、钨三种金属材料的辐照级联过程，获得材料在不同温度（300?500 K）下、不同初级碰撞原子（Primary Knock-on Atom，PKA）能量（<20 keV）沿不同晶格方向（<135>、<122>和<100>）入射的辐照级联损伤过程。结果表明：金属镍和铁的稳态辐照缺陷数相当，当PKA能量较低（<5 keV）时，金属镍的稳态缺陷数比金属铁略少；而当PKA能量较高（>5 keV）时，金属镍的稳态缺陷数逐渐超过铁；在相同辐照条件下，金属钨的稳态辐照缺陷数最少，表现出更为良好的抗辐照性能。通过分析三种金属辐照级联过程中不同阶段的缺陷复合率及缺陷存活率，进一步理解其耐辐照损伤能力的差异。相关计算结果为理解不同金属的辐照性能提供数据支撑，作为金属初级辐照损伤数据集，为更大尺度的速率理论和团簇动力学等模拟材料辐照效应提供微观缺陷结构和参数。
镍 铁 钨 中子辐照 初级辐照损伤 分子动力学 Nickel Iron Tungsten Neutron irradiation Primary radiation damage Molecular dynamics
1 华北光电技术研究所，北京100015
2 河北工业大学，天津300000
清洗是混成式探测器芯片器件制造过程中的一道关键工序。探测器芯片表面所吸附的有机物沾污是清洗的主要目标。使用第一性原理与分子动力学相结合的方法研究了丙酮、乙酸乙酯对InSb晶面有机物沾污（主要成分为502）的清洗机理。第一性原理计算结果表明，丙酮与乙酸乙酯的分子反应活性位点均离域在杂原子上，两者可通过杂原子对吸附在InSb表面的502解吸附以达到清洗的目的。分子动力学模拟结果表明，乙酸乙酯可以促进丙酮分子在502膜层中的扩散能力，以此加强丙酮对502的去除作用。
清洗 混成式芯片 第一性原理 分子动力学 InSb InSb cleaning hybrid detector chip first principle theory molecular dynamics
1 西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室, 四川 绵阳 621010
2 西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室, 四川 绵阳 621010中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
4 西南科技大学分析测试中心, 四川 绵阳 621010
5 四川轻化工大学化学与环境工程学院, 四川 自贡 643002
华法林作为口服维生素K拮抗剂几十年来广泛应用于治疗血栓类疾病。 因此针对华法林的物理化学性质的研究成为了人们的重点。 通过含时密度泛函理论(TD-DFT), 模拟了华法林分子在水溶液状态下与人血清蛋白结合过程中几种状态的紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)与荧光光谱, 研究不同状态在激发过程中的跃迁方式和电荷转移过程, 以及光谱的差异, 探究整个动力学过程的激发态变化机理。 结果表明, 华法林在水溶液中紫外-可见吸收光谱表现出双吸收现象, 双吸收现象主要由不同的激发态跃迁导致。 未去质子化前, 主要吸收峰波长为291 nm, 去质子化后, 吸收强度降低, 波长红移, 当华法林与血清蛋白结合后发生电荷转移导致吸收增益, 波长307 nm吸收峰强度最高。 通过计算第一激发态(S1)的结构和激发能模拟华法林不同状态的荧光光谱, 最初状态下荧光峰为360 nm, 去质子化后, 荧光强度降低, 波长红移, 结合后结构变化导致荧光增益。 根据华法林的荧光光谱变化情况, 说明其在整个动力学过程中存在不同的荧光发射过程。 通过分子前线轨道分析和电子-空穴分析研究整个动力学过程的电荷转移情况, 表明华法林单体的荧光发射过程为局域激发, 与蛋白质结合后荧光发射过程为电荷转移激发, 结合后的荧光增益特征使华法林可以作为荧光探针。 该研究揭示了华法林与蛋白结合过程中光谱变化机理, 为以后探究分子结合动力学过程提供新型研究手段和理论支撑。
华法林 人血清蛋白 光谱 含时密度泛函理论 分子动力学模拟 Warfarin Human Serum Albumin Spectroscopy TDDFT Molecular dynamic simulation 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2099
纤维增强混凝土的宏观力学性能与纤维/基体的界面结合密切相关。本文通过分子动力学模拟, 研究氧化石墨烯(GO)对聚乙烯醇纤维(PVA)/基体界面结合的影响。结果表明, 当GO与PVA纤维以共价键连接时, PVA纤维从混凝土中被拉出所需的拉力最大, GO的存在能提升纤维与基体的界面黏结性能。混凝土基体与GO主要以钙氧键和氢键连接, 其中钙氧键数量多且化学键强度高。但GO与PVA纤维物理连接时, GO与PVA纤维仅依靠强度较弱的氢键连接, 对界面的黏结性能带来负面作用。此外, GO受到更多离子键和氢键的束缚, 原子平移运动减少, 与基体的界面黏结性能提高。
氧化石墨烯 PVA纤维 混凝土 界面 分子动力学 graphene oxide PVA fiber concrete interface molecular dynamics
1 苏州大学 工程训练中心,苏州 215006
2 上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306
为了探讨1维微尺度热传导模型不同激光能量对石墨转化纳米金刚石相变机理的影响，采用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟优化后的石墨结构，用有限差分法计算了激光辐照石墨表面的温度分布; 基于sp3杂化键可以明显地区分金刚石和石墨结构，根据能量耦合得到不同激光能量条件下辐照石墨的态密度带隙，研究了碳原子键合条件。结果表明，只有当激光能量达到5 J时，才能形成少量sp3杂化碳原子; 随着激光能量的增加，液相下受辐照的石墨表面的温度随之增加，碳原子中的自由电子更容易移动到成键分子轨道，电子的电负性增强，从而增强sp3键的极性，并有助于将sp2键转变为sp3键。该研究结果对在液相激光辐照下提升纳米金刚石制备效率、探究纳米金刚石制备机理有重要的现实意义。
激光技术 相变机制 分子动力学模拟 激光能量 温度分布 sp3杂化 laser technique phase transition mechanism molecular dynamics simulation laser energy temperature distribution sp3 hybridization
秦思成 1,2,3,*吴锦绣 1,2,3齐源昊 1,2,3柳召刚 1,2,3[ ... ]张晓伟 1,2,3
1 内蒙古科技大学材料与冶金学院，包头 014010
2 内蒙古自治区高校稀土现代冶金新技术与应用重点实验室，包头 014010
3 轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室，包头 014010
以硫酸铵废水为原料，采用水热法制备了无水硫酸钙晶须(CSW)。首先研究了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和不同聚合度的聚乙二醇(PEG)对CSW生长行为的影响。然后用Materials Studio 2020软件对SDBS吸附在CSW表面进行分子动力学模拟，计算得到各晶面吸附能。结果表明，产物均为正交晶系的CSW。未加添加剂制备出的CSW平均长度为65.27 μm，长径比为40，但表面粗糙，分布不均匀。加入4%(质量分数)SDBS制备出的CSW形貌最优，分布均匀，表面光滑且均为针状，平均长度为136 μm，长径比为62。SDBS能促进CSW以螺旋位错的形式沿轴向生长，提高CSW长径比。
硫酸铵废水 水热法 无水硫酸钙晶须 添加剂 分子动力学模拟 吸附能 ammonium sulfate wastewater hydrothermal method anhydrous calcium sulfate whisker additive molecular dynamics simulation adsorption energy
1 防灾减灾湖北省重点实验室, 宜昌 443002
2 三峡大学土木与建筑学院, 宜昌 443002
3 三峡旅游职业技术学院, 宜昌 443000
本文以磷石膏为原料蒸压制备半水硫酸钙晶须, 采用数字显微镜、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等微观测试方法对Mg2+作用下的半水硫酸钙晶须微观形貌、组成及晶面发育情况等进行试验研究, 运用分子动力学技术模拟计算Mg2+在半水硫酸钙晶体晶面的相互作用能和径向分布函数, 两者结合探讨Mg2+对半水硫酸钙晶体不同晶面结晶习性的影响。结果表明, Mg2+和半水硫酸钙晶体不同晶面的相互作用能从小到大顺序为: ΔE(200)<ΔE(002)<ΔE(400)<ΔE(020)<ΔE(204), 即Mg2+主要吸附在半水硫酸钙晶体的(200)、(002)、(400)晶面上。Mg2+与SO2-4间的作用距离小于Ca2+与SO2-4间的作用距离, Mg与S之间产生了明显的电子效应, 且电子效应随硫酸镁掺量的增加而增强, XRD衍射峰位置随硫酸镁掺量的增多向右偏移变得更加明显, 说明有少量的Mg2+嵌入半水硫酸钙晶格。在硫酸镁掺量0.15%(质量分数, 下同)时, 优先促进晶体c轴方向的生长, 使半水硫酸钙晶须呈细长针状, 平均长度为47.29 μm, 平均长径比为36.07; 在硫酸镁掺量为0.30%时, 抑制晶体沿c轴和径向的生长, 使半水硫酸钙晶须呈细短针状, 平均长度为39.72 μm, 平均长径比为28.91。
半水硫酸钙晶须 磷石膏 结晶习性 分子动力学模拟 calcium sulfate hemihydrate whisker phosphogypsum Mg2+ Mg2+ crystallization habit molecular dynamics simulation
昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
针对As40Se60硫系基底膜层脱膜的问题进行探究，本文利用分子动力学仿真软件建立了以ZnS、ZnSe和Ge三种材料为连接层、As2Se3为基底的仿真模型，分析了仿真模型真空退火后的结构势能、总能量和吸附能的变化。同时通过镀膜实验制备了相同膜厚的ZnS、ZnSe和Ge三类单层膜，并对制备的薄膜进行了附着力测试。仿真与实验结果均显示，ZnS薄膜易发生脱落，而Ge膜和ZnSe膜不易发生脱落，对于容易发生脱膜的ZnS膜，减小膜厚和基底镀膜温度，能够提高ZnS膜与基底的附着力。
材料 硫系基底 分子动力学 吸附能 附着力 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1716002
