静电场中水分子的扩散与液固相变

摘要

扩散与相变是本科阶段基础物理教学的重要内容.本文以体相水分子系统为例,基于分子动力学模拟,研究静电场环境下水分子的扩散和相变.在较小电场强度情况下,水分子表现出显著的大角度跳跃转动,且转动频次随电场呈先增加后减小的非单调行为.这种大角度跳跃转动的反常电场依赖性与水分子扩散系数随电场强度变化的非单调性存在较强相关性.在电场强度较大时,水分子系统发生液固相变,即电致结冰,并观察到了两种冰相沿电场方向的层状混合堆叠结构.该分子动力学模拟有助于学生从微观层次理解分子扩散与相变等物理现象的分子机制,可作为教学实例培养本科生的科研实践能力.