合金固液界面动力学与纳米体系结构和稳定性的分子动力学研究

摘要

界面的性质直接影响着多相体系的结构、稳定性和动力学行为。本论文主要围绕合金固化中固液界面的动力学行为、表面对团簇结构的影响、填充液体界面能驱使的弹性管的结构变化及其稳定性等问题开展了系统的理论研究。具体地，第一章介绍了界面动力学与热力学的物理基础。第三章介绍了我们关于二元合金固液界面动力学的研究结果；第四章总结了填充液体诱导的弹性管的结构变化和稳定性的研究结果；我们关于团簇结构及其普适结构模型的结果在第五、六章中作了介绍。在第二章我们对论文研究的主要方法-分子动力学方法作了简单介绍。
　　 论文的主要研究发现如下：
　　 （一）应用分子动力学方法，系统研究了二元合金固化的界面动力学行为。发现了合金（金属）固化过程中在界面附近存在温度梯度。这一现象从未见著于前人的研究中，它对正确确定合金过冷温度具有重要意义；获得了分配系数与生长速度的第一份定量数据，发现了分配系数的非连续变化；获得了溶质阻滞现象对生长定量影响的第一个模拟结果。证明了合金界面的动力学系数和分配系数的各项异性。这些结果为澄清和建立各种动力学模型提供了物理基础。
　　 （二）结合理论分析与分子动力学模拟，我们发现了毛细作用驱使的弹性圆管的形变。伴随着这个形变，存在一个特征长度-弹性毛细长度，我们发现弹性毛细长度与弹性管的特征长度存在普适的标度关系，这个标度关系和相互作用势以及具体材料无关。通过分子动力学模拟碳纳米管部分填充液体铁的弹性毛细现象，验证了我们理论所预言的标度关系。
　　 （三）系统研究了两体势平衡距离对团簇结构的影响，找到了平衡距离对团簇结构的演化规律（结构相图）。计算结果显示：对于较大平衡距离的两体势，团簇具有更多的正十面体类结构和密堆结构；而对于较小平衡距离的两体势团簇，多数团簇为无序结构；对于中等大小平衡距离的两体势，团簇具有更多的正二十面体类结构；另外，我们发现小尺寸(N＜24)团簇的结构几乎和两体势的平衡距离无关，为多四面体类结构。
　　 （四）我们定义了团簇的有效表面断键量和有效形变量。通过计算这两个结构量，发现对于同一结构类型，不同的团簇（包括满壳层、非满壳层、非壳层，以及亚稳态结构）具有普适的规律，并且不依赖于原子间相互作用势。这些结构量的变化规律可以由两个基本结构单元的组合方式来解释。通过推广Wulff构造，我们成功建立了两体势团簇结构的普适模型。该模型正确地预言了已知所有两体势团簇结构的分布。