分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应[1]
分子动力学方法研究纳米摩擦问题
中微悬臂和针尖产生的类弹簧作用 。计算结果说明 ,石墨分子层之间的静摩擦力是由于层间弱相互作
用导致的 ;而动摩擦力则与石墨的六角形晶格结构有关 。同时 ,他们还发现了在不同方向上的摩擦系数
有所不同 。M iyamoto 等 [ 11 ]在对云母 (0, 0, 1)之间的摩擦性质的研究中也发现了对称条件 ( 0°)比非相
http: / /www. hxtb. org 化学通报 2010年 第 2期
·107·
行为一致 。他们还发现 ,在同样的负载下 ,接触面的原子数与摩擦力也具有线性关系 。 Zhang等 [ 2 ]对这一现象的原因给出了一种经典解释 。他们对单纯的铝 ( 0, 0, 1)之间和 α2A l2 O3 ( 0,
国家 " 973"计划项目 (2007CB936302)和国家自然科学基金项目 (20821063和 20873063)资助 2009203212收稿 , 2009210215接受
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Abstract Due to neglecting the interaction among electrons, molecular dynam ics simulations show great advantage for study on the dynam ic p rocess of a relatively large system. The molecular dynam ics simulation w ill become especially powerful because of the fast development of the computer science. The p rogress of the theoretical studies on the nanotribology from the m icroscop ic viewpoint was reviewed. The perspective of the molecular dynam ics simulation in this field was discussed as well.
分子动力学模拟位错和界面的相互作用
摘要纳米尺度的金属多层膜在屈服应力、塑性、抗腐蚀性能等方面具有特殊的性能。
目前它已被广泛应用于航空航天、机械制造、电子技术、光学工程及计算机工程等各个领域。
而在薄膜材料的应用过程中,薄膜的使用寿命和可靠性是人们普遍关注的焦点问题。
界面的结合性能是影响多层膜寿命和可靠性的关键指标,而位错和界面的相互作用机理决定着界面的结合性能,即位错和界面的相互作用机理在薄膜的使用寿命和可靠性方面扮演着关键角色。
因此对位错和界面的相互作用机理的研究就显得特别有价值和意义。
随着高性能计算机的发展,原子模拟已成为材料性能预测与设计方面一种有效的方法。
本文用三维分子动力学方法研究了位错和界面的相互作用机理,具体如下:首先,用分子动力学方法研究了侧向拉伸载荷下位错从bcc-Fe/Ni界面的形核和发射过程。
弛豫后,在Fe(0 0 1)/Ni(0 0 1)和Fe(0 0 1)/Ni(1 1 1)界面观察到无序的失配位错网络,Fe(0 0 1)/Ni(1 1 0)界面观察到长方形的失配位错网络。
研究了晶体取向对Fe/Ni 双层膜拉伸性能的影响。
不同取向的对比发现Fe(0 0 1)/Ni(1 1 0)系统的屈服强度最低。
和Fe薄膜进行了对比,发现Fe/Ni双层膜系统的塑性高于Fe薄膜的,而屈服强度低于Fe薄膜的。
模拟结果显示,界面是位错的发射源,滑移位错从界面的失配位错线形核和发射。
同时界面也会阻碍位错运动,随着拉伸的进行,Fe层中越来越多的位错被塞积在界面处,当到达到临界值时,迫使位错穿过Fe/Ni界面,从Fe层到Ni层。
在Fe基体中位错主要在{1 0 1}面滑移,而在Ni中主要在{1 1 1}面滑移。
其次,用分子动力学模拟了单轴拉伸载荷下不同扭转角的Cu(001)/Ni(001)界面的结合性能。
模拟结果显示,当扭转角小于15.124度时,界面形成方格状的失配位错网络,界面失配位错网络的密度随着扭转角的增加而增加。
当扭转角大于15.124度时,在界面形成面缺陷。
纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟
纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟黏滑现象（Stick-slip phenomenon）是一种不稳定的摩擦现象，其表现为物体在运动过程中时有时无的摩擦力，出现“黏滑”交替的现象。
这种现象在生产生活中非常常见，如钢材切割、机械零件接合、润滑油的摩擦等。
为了深入研究黏滑现象的本质和规律，可以通过分子动力学模拟的方法来进行研究。
纳米尺度下的黏滑现象具有与宏观尺度不同的特征，主要表现在三个方面：①分子之间的相互作用力更为显著；②温度的影响更加显著，可能对摩擦力和黏滑现象产生影响；③表面形貌和化学特性的差异对摩擦力和黏滑现象产生较大影响。
在纳米尺度下，物体表面存在大量的微观起伏和凹凸，这些起伏和凹凸给黏滑现象的起源提供了基础。
即使两个表面看似非常平滑，实际上也存在着微观上的起伏和凹凸。
当两个表面接触时，由于分子之间的吸引力，会出现局部的黏附现象。
如果两个表面相对运动的速度足够小，黏附力足以克服等效于微观形状间距离的组合力，使得物体保持在黏附状态，即“黏上”。
如果两个表面相对运动的速度达到一定程度，黏附力不能再克服间距离力，物体就会突然脱离黏附状态，即发生“滑动”，此时会出现摩擦现象。
为了研究纳米尺度下的黏滑现象，可以通过分子动力学模拟来模拟这一过程。
以大分子聚乙烯（PE）为例，可以采用蒙特卡洛（MC）模拟或分子动力学（MD）模拟的方法。
在模拟过程中，需要考虑聚乙烯链的构象、相互作用势能、热力学参数以及表面形貌等因素。
模拟的第一步是确定模型。
模型中需要包含聚乙烯链的有关信息，包括分子的结构和互相作用部分。
可以通过量子化学计算、实验测量或文献数据获取聚乙烯链的参数，如链长、链密度、分子结构、键能等等。
然后，需要建立分子动力学的势函数，通过确定分子之间的相互作用力计算出分子的力场和能场。
接下来需要生成聚乙烯链在纳米表面上的排布，可以通过随机仿真、动态平衡仿真等方法。
在建立初始构象之后，需要将聚乙烯链放置在具有不同化学特性表面上，例如亲水性表面、疏水性表面等。
分子模拟简介
分子动力学模拟的原理简介授课人：杨俊升博士内容1 2 4分子模拟的应用分子动力学计算的原理分子动力学模拟实例3体系模型构建一、分子模拟的应用1.分子模拟概述定义：计算机辅助试验技术，以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为、体系的各种物理化学性质。
2.分子模拟的作用模拟材料的结构计算材料的性质预测材料的行为验证试验结果重现试验过程从微观角度认识材料总之，是为了更深层次理解结构，认识各种行为。
介观动力学分子力学、动力学量子力学密度泛函理论Walter Kohn E ρ[]=T o ρ[]+U ρ[]+E xc ρ[][])()()]([,,,2r r r n v k i k i k i eff ϕεϕ=+∇)]([)],...([1r n E r r E N =ψrd r n N r r f r n i i i i ⎰∑Ω=⋅=3*)()()()( ϕϕHohenberg-Kohntheorem Kohn-Shamequations •Exact only for ground state •Needs approximation to E xc荣获1998年的诺贝尔化学奖这三位科学家结合经典和量子物理学，设计出多尺度复杂化学系统模型，将传统的化学实验搬到了网络世界。
第一原理研究领域包括：✓晶体材料结构优化及性质研究（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）✓表面和表面重构的性质、表面化学✓电子结构（能带、态密度、声子谱、电荷密度、差分电荷密度及轨道波函分析等）✓晶体光学性质(包括EELS, XANS, XES)✓材料热力学参数计算✓点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶体晶界、位错）✓磁性材料研究✓材料力学性质研究✓材料逸出功及电离能计算✓STM图像模拟✓红外，拉曼光谱模拟✓反应过渡态计算✓动力学方法研究扩散路径A b s o r p t i o n (c m -1)图1 （a ）本征LN 晶体; （b ）Mn 替代Li 位LN 晶体; （c ）Mn 替代Nb 位LN 晶体;System Volume/Å3E total /eV LN1232.98-73221.751Mn@LN-11240.78-73678.119Mn@LN-21225.65-72314.594从上个世纪九十年代初期以来，计算机模拟技术得到了飞速发展，主要基于三个方面的发展： 分子力场的发展（基石）（Amber，OPLS、Compass）原子间的键长、键角、分子间的内聚能等模拟算法（途径）计算机硬件（工具）HPCx二、分子动力学计算的原理力场的概念：分子力场是原子分子尺度上的一种势能场，它描述决定着分子中原子的拓扑结构和运动行为。
纳米材料的表面效应
纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm--100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。
纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。
因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。
正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应），从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。
（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。
主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。
再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。
如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。
再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。
利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。
注塑成型微流控芯片通道脱模的变形机理
第52卷第4期2021年4月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.4Apr.2021注塑成型微流控芯片通道脱模的变形机理王宜磊，翁灿，杨锦，刘介珍，蒋炳炎(中南大学机电工程学院，高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙，410083)摘要：为提高微流控芯片注塑成型的脱模质量，采用分子动力学(MD)对环烯烃共聚物(COC)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的脱模过程进行模拟，研究在7×10−11N 脱模外力作用下，聚合物的平均速度、密度分布以及界面相互作用能的变化规律，分析通道脱模变形的分子演化机制。
研究结果表明：在脱模过程中，通道底部最早与Ni 模芯分离，随后通道肩部开始分离，COC 和PP 脱模速度最快；随着脱模过程的进行，界面相互作用能先增大后逐渐减小，PMMA 的界面相互作用能最大，黏附能最大；在界面相互作用能作用下，聚合物层各部分的运动速度不一致，这是造成通道一定程度拉伸、凹陷和孔隙等变形行为的主要原因；脱模后聚合物整体密度减小和分子链回转半径增大，较好地解释了聚合物整体结构的变化情况。
关键词：注塑成型；微流控芯片；分子动力学；通道形貌；脱模变形中图分类号：TQ320.66文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）04-1083-07Mechanism of channel deformation of microfluidic chips duringdemolding process of injection moldingWANG Yilei,WENG Can,YANG Jin,LIU Jiezhen,JIANG Bingyan(State Key Laboratory of High-Performance Complex Manufacturing,School of Mechanical and ElectricalEnginnering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:In order to improve the demolding quality of injection molded microfluidic chips,molecular dynamics (MD)method was used to simulate the demolding process of cycloolefin copolymer(COC),polypropylene(PP)and polymethyl methacrylate(PMMA).Under the external force of 7×10−11N,the average velocity,density distribution and interfacial interaction energy of the polymer were analyzed to investigate the molecular evolution mechanism on the channel deformation.The results show that the bottom of channel is first separated from the Ni insert,and then the shoulders of the channel begin to separate.The demolding speeds of COC and PP are faster than those of PMMA.The interaction energy between PMMA and Ni is the largest with the highest adhesionDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.04.005收稿日期：2020−06−12；修回日期：2020−09−23基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(51920105008)；国家自然科学基金资助项目(51775562)(Project(51920105008)supported by the International Cooperation and Exchange Foundation of the National Natural Science Foundation of China;Project(51775562)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：蒋炳炎，博士，教授，从事微型构件的精密成型与可控制造研究；E-mail:***********.cn引用格式：王宜磊,翁灿,杨锦,等.注塑成型微流控芯片通道脱模的变形机理[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(4):1083−1089.Citation:WANG Yilei,WENG Can,YANG Jin,et al.Mechanism of channel deformation of microfluidic chips during demolding process of injection molding[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(4):1083−1089.第52卷中南大学学报(自然科学版)energy and the longest interaction time,and the interface interaction energy first increases and then gradually decreases in the demolding process.The inconsistency of the velocity in each part of the polymer layer under the action of the interfacial interaction energy is the main cause of the deformation behaviors of channel,such as stretching,depression and pores.The change that the polymer overall density decreases and molecular chain radiusof gyration increases after demolding explains the reason of the change in the overall structure of the polymer.Key words:injection molding;microfluidic chips;molecular dynamics;channel morphology;demolding deformation微流控芯片在生命科学、化学分析和医疗检测等研究领域中得到了越来越广泛的应用[1]。
纳米材料的分子动力学模拟研究
纳米材料的分子动力学模拟研究随着科技的不断发展以及人们生活水平的提高，纳米材料这一新兴领域被越来越多的人们所重视。
而纳米材料的研究需要运用到高端科技和先进的理论。
分子动力学模拟是从分子水平对材料进行研究的一种方法。
在纳米材料的研究中，分子动力学模拟被广泛应用。
本文将介绍分子动力学模拟的概念、计算过程和应用，以及纳米材料研究中的应用情况。
一、分子动力学模拟简介分子动力学模拟是一种在计算机上对大量粒子进行数值模拟运动的方法。
其主要目标是预测材料在不同温度和压力下的性质，如热膨胀系数、弹性系数、热导率等。
分子动力学模拟是一种基于牛顿力学理论的计算方法，通过计算大量的粒子之间相互作用所形成的力来刻画物质的力学行为。
分子动力学模拟的基本流程如下：1.设定模型：设置原子、晶胞、周期性边界等。
2.计算初始条件：根据实验或计算得到的初始条件，如温度、压力、位置和速度等，为每个原子设置初值。
3.求解运动方程：利用牛顿运动定律将体系进行数值模拟，计算每个原子的位置和速度，以及原子之间的相互作用力。
4.计算输出：通过计算得到各种物理量指标，如温度、能量、热力学性质等。
二、纳米材料的分子动力学模拟纳米材料由于其微观结构特殊，具有新颖的物理和化学特性，因此在各自应用领域中受到广泛的应用，如化学反应、生物技术、环境治理等。
由于纳米颗粒的极小尺寸，其表面积与体积比较大，因此其物理、化学和生物上的行为比相同材料的宏观结果要显著不同。
利用分子动力学模拟，可以实现对纳米颗粒在不同条件下的动力学行为进行研究。
分子动力学模拟中研究的主要领域包括纳米材料的形成、生长过程、力学性质和表面反应行为等。
例如，可以通过模拟系统温度、压力、原子组成和结构等参数的变化来探索纳米材料在不同环境下的性质和行为是否发生变化；也可以通过模拟原子组成和结构的改变来探索不同的纳米材料在不同条件下的热力学性质、结构和性能的演变规律，为材料制备和应用提供理论基础。
纳米粒子表面效应
纳米粒子的四大效应
纳米材料由纳米粒子组成。
纳米粒子一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，它具有以下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质：
1.表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。
随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。
例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。
粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。
表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
纳米结构的表面和界面效应
纳米结构的表面和界面效应纳米技术是当代科技领域的一个热门话题，它涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域。
在纳米材料中，表面和界面效应是不可忽视的重要因素。
本文将探讨纳米结构的表面和界面效应对材料性质的影响以及相关的应用。
1. 表面效应表面效应指的是纳米材料在表面层与体积层之间的相互作用。
在纳米尺度下，由于表面原子数量相对较少，表面能量和表面活性会显著增加。
这种增强的表面活性使得纳米材料具有较高的表面反应活性，表明纳米材料的表面在化学反应中具有更大的催化活性。
另一方面，表面效应还会影响纳米材料的热力学性质。
根据吸附原位测量结果，纳米材料的表面对气体吸附和分离具有显著的选择性。
这种表面选择性可能是由于表面的化学组成和结构特征导致的。
因此，人们可以利用纳米材料的表面效应来制备高效的催化剂和吸附材料。
2. 界面效应界面效应是指纳米材料中不同相之间的相互作用。
由于纳米材料中的晶界、层错等缺陷较多，界面效应在纳米尺度下会显著影响材料的性质。
例如，在纳米晶体的界面上，晶体结构的缺陷会导致电子传导的阻碍，从而造成电导率的降低。
此外，界面效应还会改变材料的热膨胀系数和力学性能等。
界面效应在纳米材料的合成和加工过程中也起到重要作用。
通过调控界面效应，可以控制纳米材料的晶粒生长速率、形貌和尺寸分布等。
例如，通过添加一定的界面活性剂，可以在纳米颗粒之间形成相互覆盖的层次结构，从而增强材料的力学性能和稳定性。
3. 应用前景纳米结构的表面和界面效应为材料科学和工程领域提供了许多新的研究和应用方向。
例如，在能源领域，通过调控纳米材料的表面和界面效应，可以提高能量转换效率和储能性能。
纳米光催化剂的研究也受到越来越多的关注，其通过表面效应增强了光催化反应的效率。
此外，纳米材料的表面和界面效应还广泛应用于生物医学、环境保护和传感器等领域。
例如，在生物医学领域，纳米颗粒的表面效应可以用于药物传递和生物成像。
在环境保护方面，纳米材料的表面效应可以用于水处理和废气处理等。
金属纳米晶体的表面与其催化效应
金属纳米晶体的表面与其催化效应沈正阳(浙大材料系1104 3110103281)摘要：概括纳米材料的表面与界面特性，从金属纳米晶体表面活性与结构介绍其的催化性能，简要概述金属纳米晶体形状与晶面的关系以及金属纳米晶体的成核与生长。
关键词：纳米金属；表面活性；催化；高指数晶面1.纳米材料的表面与界面纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。
由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。
强烈的表面效应，使超微粒子具有高度的活性。
如将刚制成的金属超微粒子暴露在大气中，瞬时就会氧化，若在非超高真空环境，则不断吸附气体并发生反应。
[1]纳米晶体是至少有一个维度介于1到100纳米之间的晶体。
纳米材料主要由晶粒和晶粒界面2部分组成，二者对纳米材料的性能有重要影响。
纳米材料微观结构与传统晶体结构基本一致，但因每个晶粒仅包含着有限个晶胞，晶格点阵必然会发生一定程度的弹性畸变，其内部同样会存在各种缺陷，如点缺陷、位错、孪晶界等。
纳米金属粒子的形状、粒径、颗粒间界、晶面间界、杂质原子、结构缺陷等是影响其催化性能的重要因素。
纳米材料中，晶界原子质量分数达15%~50%，晶界上的原子排列极为复杂，尤其三相或更多相交叉区，原子几乎是自由的、孤立的，其量子力学状态和原子、电子结构已非传统固体物理、晶体理论所能解释。
金属纳米晶体研究中，发现面心立方结构纳米金属如 Al、Ni、Cu 和密排六方结构Co都存在孪晶和层错缺陷，Cu纳米金属中存在晶界滑移。
2.金属纳米晶体的催化性能近年来，关于纳米微粒催化剂的大量研究表明，纳米粒子作为催化剂，表现出非常高的催化活性和选择性。
这是因为纳米微粒尺寸小，位于表面的原子或分子所占的比例非常大，并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，同时微粒的比表面积及表面结合能迅速增大。
纳米颗粒表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致了纳米结构表面存在许多缺陷。
纳米材料的表面效应
纳米材料的表面效应在科学技术高度发达的今天，纳米作为高端科技的名词之一，常常被人们提及。
与此同时，纳米材料因其特殊性，越来越受到科学界的广泛重视。
科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。
纳米材料是指至少一个维度上具有100纳米以下尺度的相分离材料，并且其性质不同于一般材料。
科学实验证实，当常态物质被加工到极其微细的纳米尺度时，会出现特异的表面效应、体积效应和量子效应，其光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。
在此，着重介绍纳米材料的表面效应。
简单而言，纳米材料的表面效应，就指物质颗粒减小，使更多原子处于反应的表面，纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
如下图所示:从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。
当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。
由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。
如右图所示，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积,体积)与直径成反比。
随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒-3(直径为 2*10微米)进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体，十面体，二十面体等)，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。
在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。
超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。
分子动力学模拟在纳米科技中的应用
分子动力学模拟在纳米科技中的应用分子动力学模拟是一种基于粒子间相互作用以及牛顿运动定律进行计算的方法，通过对分子尺度的模拟，可以得到物质的微观结构和动力学信息。
随着计算机计算效率的提高和算法的不断改进，分子动力学模拟在材料科学、化学、生物学等领域中的应用越来越广泛。
尤其在纳米科技领域，分子动力学模拟具有非常重要的意义和应用。
本文将探讨分子动力学模拟在纳米科技中的应用以及其前景。
一、纳米材料的设计和制备纳米材料是具有尺寸在1-100纳米尺度下的特殊物质，具有与普通物质不同的物理、化学和生物学特性。
分子动力学模拟可以为纳米材料的设计和制备提供支持和帮助。
例如，在太阳能电池的制备中，通过分子动力学模拟可以预测有机晶体材料的稳定性、光吸收和输运特性等，从而设计出更高效的太阳能电池。
二、纳米材料的结构和性质研究分子动力学模拟可以帮助研究纳米材料的结构和性质。
例如，通过分子动力学模拟可以研究纳米线、纳米管等的力学特性，了解其强度和韧性，为纳米器件的应用提供支持。
此外，分子动力学模拟还可以研究纳米材料的热力学性质、表面性质、电子结构等，为纳米电子学、纳米传感器等领域的应用提供理论基础。
三、纳米材料的制备和性能优化纳米材料的制备和性能优化是一个重要的研究方向。
分子动力学模拟可以为纳米材料的制备和性能优化提供理论指导和支持。
例如，在制备纳米粒子时，分子动力学模拟可以模拟纳米粒子的生长过程，了解其生长机制，为控制纳米粒子的尺寸和形貌提供指导。
此外，分子动力学模拟还可以模拟纳米材料中分子的运动和相互作用，探索纳米材料的物理和化学性质，为纳米传感器、纳米催化剂等的制备提供理论依据。
四、纳米材料的应用纳米科技已经在许多领域中得到应用，例如制备纳米传感器、纳米电池、纳米催化剂等。
分子动力学模拟在这些应用中也发挥了重要的作用。
例如，在纳米传感器的制备中，分子动力学模拟可以预测纳米材料与目标物质之间的相互作用力，为传感器的灵敏度和选择性提供指导。
分子动力学模拟常见材料表面反应
分子动力学模拟常见材料表面反应表面反应是重要的物理和化学现象，对于我们理解材料的性质和开发新材料具有重要意义。
分子动力学模拟是一种有效的理论和计算方法，可以用来研究材料的表面反应。
本文将介绍几种常见材料的表面反应，并探讨如何利用分子动力学模拟来模拟和研究这些反应。
1. 金属表面氧化反应金属材料的氧化反应在自然界或工业生产中都是非常常见的。
以铜表面的氧化为例，铜表面的氧化反应可以通过在分子动力学模拟中引入氧分子来模拟。
通过控制氧分子的注入速率和温度等参数，可以研究在不同条件下铜表面的氧化动力学过程和生成的氧化产物结构。
这些模拟可以帮助我们理解金属的氧化机理和优化金属表面的抗氧化性能。
2. 半导体表面反应半导体材料的表面反应对于半导体器件的制造和性能有着重要影响。
以硅表面的氧化为例，硅表面的氧化反应可以通过在分子动力学模拟中引入氧分子和硅原子来模拟。
通过调节不同条件下氧分子和硅原子的注入速率和温度等参数，可以研究硅表面的氧化动力学过程和生成的二氧化硅结构。
这些模拟可以帮助我们优化半导体器件的制造工艺和改善半导体材料的性能。
3. 催化剂表面反应催化剂在化学反应中起到重要的作用，对于理解和改进催化反应的机理至关重要。
分子动力学模拟可以用来研究催化剂表面上的吸附、解离和反应过程。
例如，针对以铂为催化剂的氢气吸附和解离反应，可以通过引入氢分子和铂原子来模拟。
通过调节不同条件下氢分子和铂原子的注入速率和温度等参数，可以研究催化剂表面的氢吸附和解离动力学过程。
这些模拟可以帮助我们理解催化反应的机理和优化催化剂的性能。
4. 生物分子与表面反应生物分子与表面之间的相互作用对于生物医学和生物传感器等领域具有重要的意义。
分子动力学模拟可以用来模拟生物分子与材料表面的交互作用。
例如，通过引入特定的生物分子和材料表面来模拟生物分子的吸附和结构变化过程。
通过调节不同条件下生物分子的注入速率和温度等参数，可以研究生物分子与材料表面的交互作用动力学过程。
纳米效应1资料
2)矫顽力
常 规 Fe 块 体 矫 顽 力 通 常低于[1×104/4π]A/m 室 温 下 Fe 微 粒 矫 顽 力 保持在[1 × 106/4π]A/m 纳米Co-Fe合金矫顽力 高 [2.06 × 106/4π]A/m
高矫顽力的起源：
一致转动模式 当粒子尺寸小到某一尺寸，每个粒子就是一个单磁
1 结构与形貌
电子显微镜下超细颗粒一般呈球形，但随着制 备条件不同，特别是当粒子尺寸在l～100nm之间 变化时，粒子形貌并非都呈球形或类球形 表面层 晶格的畸变乃至结构发生改变
纳米颗粒表面原子的最近邻近配位数低于体内 而导致非键电子对排斥力降低等，导致颗粒内 部特别是表面层晶格的畸变乃至结构发生改变
常规顺磁材料的磁化率服从居里一外斯
定律
＝
C T－TC
纳米颗粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，磁 化率χ不再服从居里—外斯定律，磁化率不会发生突 变，而随温度缓慢变化。
产生超顺磁性原因：
小尺寸下，当各向异性能减小到与热运 动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一 个易磁化方向，而作无规律变化，导致出现 超顺磁性。不同种类的纳米磁性颗粒显现超 顺磁的临界尺寸不同。
2热学性质
1)熔点
Au
表面能高、比表面原子数多
表面原子邻近配位不全
活性大
体积远小于大块材料
结果：熔化所需增加的内能小，熔点急剧下降
T＝ 2 SLT0 Hr
2)蒸汽压
蒸汽压随粒径减少而上升
式中：PM、—P摩0—尔超质细ln量颗PP0粒＝和2R块MTr状物质的蒸汽压
R—气体常数 T—绝对温度
光吸收带位置是由影响峰位的蓝移因素和红 移因素共同作用的结果。
3) 量子限域效应
纳米材料的四个基本效应
纳米材料的四个基本效应纳米材料，听起来是不是有点高大上？这些小家伙可真是科技界的“隐形冠军”。
你知道吗，纳米的意思就是十亿分之一，简直让人觉得这些材料像微型超级英雄一样。
它们不仅体型小，还拥有一些神奇的特性，今天咱们就来聊聊这四个基本效应，听起来可能有点复杂，但咱们就轻松点儿，别让脑子冒烟！咱们得说说量子效应。
这可是纳米材料的一大法宝。
它们小到连普通物质的行为都跟着变了，真是有趣！比如，当这些材料缩小到纳米级别时，它们的电子会被限制在小空间里，这样就能引起一些奇妙的变化。
你可以想象一下，就像是小朋友在狭窄的空间里玩耍，变得更加活跃，原本懒散的态度一下子就不见了，嘿，这就是量子效应给我们带来的新奇现象。
接下来要聊的是表面效应，别看名字简单，但它可是个大事儿。
这种效应说明，纳米材料的表面积相对体积是个大赢家！想想看，表面积大了，反应速度自然快了。
就像咱们吃东西，如果吃一块大蛋糕，可能觉得有点沉闷；可是如果分成小块，哎呀，吃得可欢了！这就是表面效应的魅力所在，材料的化学反应能力直接上升。
很多时候，科学家们会用这种特性来设计新的催化剂，提高反应效率。
你说，这多像个厨师，做菜时总得让食材多接触火，才能做出美味啊。
然后，再来说说量子隧穿效应。
听起来像是科幻电影里的情节，实际上却是纳米材料中经常发生的事情。
这个效应让粒子能“穿越”原本无法逾越的障碍，就像小孩子在跳绳时，有时能做到意想不到的高跳。
科学家们利用这个特性开发了更高效的电子器件。
想象一下，手机里的芯片能更快运行，真是让人拍手称快！未来的科技大潮中，这可是一块不容小觑的“宝藏”。
咱们得提提光学效应。
纳米材料对光的反应那可真是一绝。
有些纳米材料能吸收或散射特定波长的光，这就是它们的“光学效应”。
想象一下，一块材料在不同光线下竟然能变换颜色，简直就像变魔术！这些特性在太阳能电池和传感器中都有广泛应用，给科技增添了不少“色彩”。
通过调节这些材料的结构，咱们可以打造出更高效的光电设备，未来可期啊！所以说，纳米材料可真是科技的“宝藏”，它们的四个基本效应像四位高手，各有千秋，互相辉映。
lammps计算表面能
lammps计算表面能（最新版）目录一、引言二、表面能的定义及意义1.表面张力2.表面自由能或表面能3.表面能的计算方法三、lammps 计算表面能的方法1.模拟过程2.计算过程3.应用实例四、总结正文一、引言表面能是指在恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积所需对物质所做的非体积功。
表面能的计算对于研究物质的表面性质具有重要意义，而 lammps（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulation）是一种广泛应用于材料科学研究的分子动力学模拟方法，可以用于计算表面能。
二、表面能的定义及意义1.表面张力表面张力是指作用在液体表面，使液体表面积缩小的力。
它是液体分子之间的引力与液体表面分子之间的引力之间的差值。
表面张力的大小与液体的种类、温度和压力等因素有关。
2.表面自由能或表面能表面自由能或表面能是指在恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积所需对物质所做的非体积功。
表面能是物系自由能的增加，这一增加是由于物系的表面积增大所致。
3.表面能的计算方法表面能的计算方法通常分为两步：首先计算平衡态时的晶体总的势能e0，然后将晶体从中间切开，形成两个表面晶体，再计算这两个表面晶体的总能量 e1，最后，表面能等于 e1 减去 e0。
三、lammps 计算表面能的方法1.模拟过程使用 lammps 计算表面能的过程分为两个步骤。
首先，在 lammps 中构建一个晶体模型，并在其表面添加一个真空层，以模拟表面晶体。
然后，在 lammps 中进行模拟，得到模拟过程中晶体表面势能的变化。
2.计算过程在模拟过程中，lammps 会记录每个时间步长的势能变化，通过对这些数据进行积分，可以得到晶体表面势能的总变化。
然后，根据表面势能的定义，将晶体从中间切开，形成两个表面晶体，再计算这两个表面晶体的总能量，最后，表面能等于总能量减去平衡态时的晶体总的势能。
第二章__纳米材料的基本效应
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的
电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及半导
体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未
被占据分子轨道，能隙变宽的现象，均称为量子尺
寸效应。
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是 连续的，但只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
表面效应
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子 输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电
子能谱的变化。下面举例说明纳米粒子表面活性高的
原因。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
图2-4 将采取单一立方晶格结构的原子尽可能以接近圆（或球）形进行配置的超微粒模式图
金纳米颗粒的熔点与粒径之间的关系曲线。
⑸特殊的力学性质
由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良
好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有
大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变
形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的
延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目
前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。
表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径
的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图。
从图中可以看出，粒径在10nm 以下，将迅速增加表面原子的比 例。当粒径降到1nm时，表面原子 数比例达到约90%以上，原子几 乎全部集中到纳米粒子的表面。
Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size
纳米材料的表面效应
纳米材料的表面效应引言：纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其表面效应是指纳米材料在纳米尺度下具有的表面特性和表现出的特殊效应。
纳米材料的表面效应对于材料的性质和应用具有重要影响，因此深入了解和研究纳米材料的表面效应是十分必要的。
一、纳米材料的表面积大增效应纳米材料相较于宏观材料而言，具有较大的比表面积。
当纳米材料尺寸减小至纳米级别时，其比表面积将显著增大。
这是由于纳米材料的体积减小，而表面积相对不变，从而导致比表面积的增加。
纳米材料的大比表面积使其具有更多的表面原子或分子，从而增强了与周围环境的相互作用，表现出特殊的表面效应。
二、纳米材料的界面效应纳米材料在纳米尺度下，其与周围环境的界面边界更加明显。
纳米材料的界面效应主要体现在两个方面：界面扩散效应和界面反应效应。
1.界面扩散效应：由于纳米材料的界面扩散效应，其表面原子或分子的扩散速率明显增加，从而使得纳米材料的化学反应速率也加快。
这一特性使得纳米材料在催化、电化学反应和气敏等领域具有重要应用价值。
2.界面反应效应：纳米材料的界面反应效应主要表现为界面的电子结构和化学性质的改变。
纳米材料的表面原子或分子与周围环境的相互作用导致电子的重新排布，从而改变了纳米材料的电子结构和化学性质。
这一界面反应效应使得纳米材料在催化、光催化、传感和能量存储等领域有着广泛的应用前景。
三、纳米材料的表面能量效应纳米材料的表面能量效应是指纳米材料表面的能量状态与其体积的能量状态之间的差异。
纳米材料的体积能量通常较低，而表面能量较高。
这是由于纳米材料的表面原子或分子与周围环境相互作用而产生的。
纳米材料的表面能量效应对于纳米材料的稳定性和热力学行为具有重要影响。
1.表面能量差异：纳米材料的表面能量较高意味着表面原子或分子具有较高的自由能，因此纳米材料的表面具有更高的反应活性和化学反应速率。
这使得纳米材料在催化、光催化和电化学反应等领域具有优越性能。
2.表面能量的调控：通过对纳米材料的表面能量进行调控，可以实现对纳米材料性质的调整和优化。
纳米材料表面效应
纳米材料表面效应纳米材料表面效应是指当物质体积大小缩减到纳米级别时，材料表面和界面所产生的物理化学效应。
这种效应会引起材料的性质和性能发生巨大变化，成为纳米材料研究的一个重要方向。
纳米材料表面效应造成的影响既可以是优化性能的利好，也可以是影响实际应用的缺点。
首先让我们来关注纳米材料表面效应的优异性。
纳米级物质的比表面积相对于其体积会增加大量。
“宏观物质，微观问题”，表面对物质的性质有着更加明显的影响。
具体来说，纳米材料表面和界面具有比体积更高的活性和表面自由能，这意味着表面能量明显增加，更容易发生化学反应和物理过程。
举个例子，《自然》杂志上的一篇文章表明，纳米金颗粒主要受制于表面效应，而非晶体微晶颗粒则不是。
（ "Size Effects in the Luminescence of Silicon Nanocrystals: Role of Surface Termination." Trimble, C.L., et al., Physical Review Letters, Volume 104, 2010）因此，纳米材料表面效应成为利用纳米技术改进传统材料性能的方向之一。
纳米材料表面效应的优异性之外，它也会带来许多负面影响。
一方面，纳米颗粒的表面活性极高，与周围环境交互作用强烈，可能引发各种有害效应，例如毒性和致癌等问题。
近年来，许多科学家和环保团体都关注到纳米颗粒对健康和环境的潜在风险。
（《纳米化食品》）另一方面，纳米材料的表面性质容易受外界因素干扰和污染。
对于纳米材料应用场合严苛的情况，如药物缓释、涂层制备、电子元器件等，则需要对表面效应进行过一系列的研究，以避免材料的失效。
如何有效地管理纳米材料表面效应，既能充分发挥优异性，又能避免负面影响，是纳米技术的重要研究课题。
目前，学界与工业界正在进行多方面的研究和实验，来探索和利用表面效应。
例如，在纳米金属材料的制备中，可以通过加入与金属表面有特殊化学亲和力的有机配体，来控制纳米颗粒的尺寸、形状和表面性质。
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分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应Ξ黄 丹 陶伟明 郭乙木(浙江大学力学系固体力学研究所,杭州,310027)摘 要 对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响.自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制.受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜.纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合G riffith 理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性.关键词 分子动力学,镍,表面效应,单晶0 引言纳米材料由于比表面大,表面能、表面应力和表面原子运动对材料力学行为的影响举足轻重[1].近年来,金属纳米力学实验主要局限于对晶体硬度、蠕变、延展性等性能的测试[2],且实验结果分散性较大,而“从头开始”的分子动力学(M D )方法[3]直接根据原子间相互作用来模拟原子的运动过程,可以模拟纳米尺度实验很难测试的力学行为和现象.已有文献对纳米材料的应变率效应[4]、尺寸效应[5]、裂纹扩展效应[6]等进行了分子动力学计算.本文采用适合于描述不规则晶格环境原子运动的原子镶嵌法(E AM )描述原子间作用,建立了金属镍单晶纳米丝和纳米薄膜模型,并应用分子动力学方法对纳米丝、纳米薄膜准静态单向拉伸破坏过程进行了零温模拟.通过比较两组模型中原子排列、能量、应力的变化,揭示了不同边界条件下单晶纳米材料受拉伸变形破坏的物理本质,讨论了表面效应对纳米材料弹性模量、拉伸强度等力学性能及变形机制的影响.1 分子动力学模拟1.1 原理与方法本文的分子动力学模拟采用Voter 等[7]根据镶嵌原子法提出的镍的多体势函数,设原子总势能E total =∑i12∑jΦ(r ij)+F (ρi )(1)式中Φ(r ij )为相距r ij 的原子i ,j 之间的中心对势,E (ρi )为到电子云ρi 的原子镶嵌能,ρi 为原子i 处的电子云密度,分别表示为Φ(r ij )=A 1(r c 1-r ij )2exp (-c 1r ij )(2)F (ρi )=D ρi ln ρiρi =∑jf (r ij )(3)其中f (r ij )=A 2(r c 2-r ij )2exp (-c 2r ij )(4)表示离原子i 距离为r ij 的原子j 对原子i 处电子云的影响.A 1、A 2、c 1、c 2、D 是由材料物理性能决定的参数.r c 1和r c 2分别表示计算原子对势和电子云密度的截断半径,r c 1=1.65d ,在次近邻原子和第三近邻原子之间;r c 2=1.95d ,在第三近邻和第四近邻原子之间.d 为最近邻原子距离,对于面心立方晶格金属晶体,d =a 0Π2,本文中a 0=0.3524nm ,为镍的晶格常数.对动力学方程的求解通过Verlet 算法[8]的速度形式来进行时间积分.为避免原子热激活,模拟在零温下进行,采用Berendsen 等[9]方法进行等温控制.考虑到表面的收缩和截面尺寸的变化,以Parrinello 2Rahman[10]方法调节自由表面应力.模拟分两组进行,第一组为纳米镍丝结构,第二组为纳米镍薄膜结构.1.2 模型的建立模型的几何构型如图1,其中图1(a )为单胞原子排列及晶向与坐标轴对应关系图,x 、y 、z 坐标轴分别对应单胞的[100]、[010]、[001]晶向.图1(b )为整体模型,共6×20×20个单胞,9600个原子,原始几何尺寸为2.1144nm ×7.048nm ×7.048nm.分子第26卷第2期2005年 6月 固体力学学报ACT A MECHANICA SOL IDA SINICA Vol.26No.2J une 2005Ξ国家自然科学基金(10302025)和教育部回国人员启动基金(J20030151)资助.2004207207收到第1稿,2004210218收到修改稿.动力学迭代的时间步长为3.45fs ,能量单位为1erg.第一组模拟将x 、y 方向控制为自由表面,在z 方向上施加周期性边界条件,使原子模型呈纳米丝结构.第二组模拟将x 方向控制为自由表面,在y 、z 方向上施加周期性边界条件,使原子模型呈纳米薄膜结构.图1 单晶镍材料原子模型1.3 模拟过程首先温度初始化,并控制模型原子温度始终为绝对零度,避免原子热激活.对模型弛豫50000步,使系统有充分时间达到能量最低的稳定状态.沿z 向施加平面拉伸应变0.005,进行分子动力学模拟10000步,在34.5ps 内实现对两端原子的恒速拉伸加载,然后弛豫50000步,使系统达到平衡态,再增加拉伸应变0.005.重复上述施加应变2分子动力学模拟2弛豫过程,直至模型出现断裂.由纳观加载的应变率效应分析[4]可知本文的加载速率处于应变不敏感区,加载属于准静态加载.拉伸过程中调节x 、y 方向尺寸以控制压力.模拟过程中每隔500步记录原子的应力张量,总能量、势能、动能、纳米模型的几何构型、各方向横截面原子排列和坐标位置.2 模拟结果与讨论2.1 原子能量与应力演化过程图2、图3分别给出了两组模型中原子能量和应力演化曲线,图2和图3的纵坐标分别为模型中原子平均总能量和平均正应力,横坐标均为外加应变.初始弛豫后,纳米薄膜的原子平均总能量为-6.845463×10-12erg ,而纳米丝的原子平均总能量为-6.845257×10-12erg.施加荷载后,薄膜原子能量迅速升高,纳米丝原子能量则增加缓慢.这是因为经过初始弛豫后的系统处于能量最低的稳定状态,内部原子处在理想晶格位置,表面原子由于空间不对称而储存了很高的表面能.纳米丝的自由表面比纳米薄膜多,因此外部原子储存的表面能更高.在加载初期,模型内部原子能量升高,而表面原子释放表面能,故纳米丝原子平均能量增加比纳米薄膜缓慢.当表面能的释放小于外加能量时,纳米丝的能量也开始上升.在加载后期,纳米薄膜中由于大量的原子空位和微缺陷,原子结合力弱,原子滑移主导了薄膜的变形并引起理想晶格破坏,原子势能增加;而纳米丝的大量自由表面发射位错,在静态加载过程中位错消耗晶格的应变能,因此纳米丝系统能量低于纳米薄膜,上升梯度也低于纳米薄膜.图2 原子总能量曲线图3 原子应力曲线经过初始弛豫后,表面原子受拉,内部原子受压,纳米薄膜和纳米丝中都存在初始应力,分别为:纳米丝σx =2048Pa ,σy =σz =21470Pa ;纳米薄膜σx =19450Pa ,σy =σz =1.657×105Pa ,可见初始应力与边界条件即自由表面数有关.加载过程中,纳米薄膜的原子应力远高于纳米丝.纳米薄膜x 、y 向应力较高,且持续上升,最大值分别为7.46G Pa 和9.47G Pa ;纳米丝x 、y 向应力很低,在初始加载阶段缓慢上升后,σx 维持在0.3G Pa ,σy 维持在1.7G Pa.这是由于表面原子自由度高,原子运动剧烈,大量的自由表面降低了纳米丝的强度,使其应力水平下降.2.2 表面效应对变形的影响・242・ 固体力学学报 2005年第26卷图4、图5为两组模型在初始弛豫状态和应力最大时刻(ε=0.148)x 2y 横截面原子排列图.在初始时刻,表面原子在空间方向失去相邻原子,纳米丝沿z 向缩短,纳米丝横截面上四个角落原子向内收缩,而四边中部原子向外凸;纳米薄膜在x 方向的自由表面原子也受到初始拉应力的影响,薄膜表面在y、z 方向均收缩,引起表面原子在x 方向向外凸出.图4 纳米镍丝横截面原子排列形状图5 纳米镍薄膜横截面原子排列形状在初始加载阶段,模型沿拉伸方向的缩短逐渐恢复,表面原子释放表面能,运动方向向内;荷载升高后,模型中大量表面原子由于结合键弱于晶体内部,沿一定方向出现滑移.由能量演化曲线和图4(b )可见,荷载增加使纳米丝在横截面四个角落沿对角线方向有明显滑移线,由于x 、y 向均为自由边界,表面发射位错并向内部晶格深入,位错的移动消耗能量,使纳米丝表现出一定的塑性.从图2和图5(b )可以看出,纳米薄膜的变形由原子滑移主导,自由表面发射的少量位错由于y 向的周期性边界条件而无法滑出边界,限制了位错的后续产生.原子滑移导致晶格的破坏和空穴的产生,空穴相互连接、扩展,使薄膜在能量和应力持续升高后突然断裂,类似于宏观脆性断裂.2.3 弹性模量和强度分析通过对z 向应力应变值的最小二乘法模拟可得,纳米镍薄膜的弹性模量为E =186.6G Pa ,略小于Shen 等[11]对无微孔隙纳米镍样品的准静态测试结果(E =217G Pa ),原因在于薄膜表面运动自由度高的原子削弱了晶体的强度.受表面悬键和表面缺陷的影响,纳米材料弹性模量可由内部晶格弹性模量、表面晶格弹性模量和角落晶格弹性模量三部分[12]组成,角落晶格弹性模量远远小于内部晶格弹性模量.纳米丝的自由表面更多,由相互垂直的自由表面边缘原子构成的角落使纳米丝整体弹性模量降低.模拟得到纳米丝E =98.74G Pa ,约为纳米薄膜的一半.值得注意的是,考虑到面心立方单晶的各向异性,本文所得的弹性模量仅为单晶镍在<100>方向的弹性模量,对于本文中的两组模型,可以进行相互比较.由图3可知,在ε=0.148时刻,纳米丝σz =14.58G Pa ,薄膜σz =21.08GPa.根据G riffith 理想脆断理论,理想晶体断裂的最大应力应等于晶格的理论强度.Shen 等[11]由实验测得纳米镍晶格的理论强度为21.7G Pa (一般取0.1E ),本文所得纳米薄膜的断裂强度(21.08G Pa )已经基本接近镍的晶格强度,符合G riffith 脆断理论,而薄膜的应力演化曲线也恰恰显示,薄膜的破坏类似于宏观脆性断裂.受表面效应影响,纳米丝的强度远低于纳米薄膜.3 结论对纳米镍丝、镍薄膜准静态拉伸过程的分子动力学模拟表明:受表面效应影响,纳米材料存在本征应力和很高的表面能;纳米丝的拉伸强度、弹性模量、原子能量和应力水平低于纳米薄膜,而延性高于纳米薄膜.自由表面改变了晶体的变形机制,纳米薄膜的变形以原子滑移为主,破坏类似于宏观脆性断裂,断裂强度21.08G Pa ,可以用G riffith 理想晶体脆断理论解释;纳米丝的变形中位错和原子滑移同时起作用,使纳米丝表现出一定的韧性,出现微弱塑性流动,拉伸强度为14.58G Pa.特征尺寸相同的纳米丝弹性模量约为纳米薄膜的一半.参 考 文 献1 梁海弋,倪向贵,王秀喜.表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟.金属学报,2001,37(8):833～8362 卢柯,卢磊.金属纳米材料力学性能的研究进展.金属学报,2000,36(8):785～7893 Ma X inling ,Y ang Wei.M D simulation for nanocrystals.Acta Mech S inica ,2003,19(6):485～5074 徐洲,梁海弋,王秀喜.纳米丝应变率效应的分子动力学模拟.固体力学学报,2003,24(2):229～2345 H orstermeyer M F ,Baskes M I.Atomistic finite deformationsimulation:a discussion on length scale effects in relation to mechaical stresses.J Eng Mater T ech ,1999,121:115～1196 万建松,岳珠峰,耿晓亮,卢智先.一种镍基双晶材料疲・342・第2期 黄 丹等: 分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应 劳裂纹扩展效应.固体力学学报,2003,24(2):148～1547 V oter A F ,Chen 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Solid Mechanics ,Department o f Mechanics ,Zhejiang Univer sity ,Hangzhou ,310027)Abstract With Embedded Atom Method ,the surface effects of m onocrystalline nickel wire and nickel film under uniaxial tension are studied by M olecular Dynamics.With m ore free surfaces ,the atomic energy and stress ,strength and elastic m odulus of nickel wire are all lower than that of nickel film ,but the plasticity of the former is higher than the latter.The rupture of nano film is m ore like brittle fracture and accords with G riffith theory of rupture ,but that of nano wire is m ore like tough fracture with plastic flow.K ey w ords m olecular dynamics ,nickel ,surface effect ,m onocrystalline・442・ 固体力学学报 2005年第26卷。