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18 篇 王慧
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分子模拟方法表征天然无序蛋白质p53 TAD2的结构系综

分子模拟方法表征天然无序蛋白质p53 TAD2的结构系综

引用

作者：欧阳艳华中国科学院大学

学位级别：硕士

天然无序蛋白质(Intrinsically disordered proteins，IDPs)是在生理条件下没有确定三维结构的一类蛋白质，它们在自然界中广泛存在，并参与信号转导，转录翻译调控和细胞内相分离等重要的生物过程。对无序蛋白质结构特征的准确描述，... 详细信息

天然无序蛋白质(Intrinsically disordered proteins，IDPs)是在生理条件下没有确定三维结构的一类蛋白质，它们在自然界中广泛存在，并参与信号转导，转录翻译调控和细胞内相分离等重要的生物过程。对无序蛋白质结构特征的准确描述，是理解其分子功能机制的基础。无序蛋白质的结构柔性特征使得现有实验技术很难得到其结构细节，因此分子模拟方法成为了实验的有力补充手段。本论文以肿瘤抑制因子p53的N端区域TAD2为模型体系，通过分子动力学及相关方法研究了其结构系综特征，比较了不同力场对其结构描述的合理性，以及考察了磷酸化修饰对其结构和分子识别功能的影响。　　本文第一部分工作，我们选取了AMBER03，AMBER99SB-ILDN，CHARMM27，OPLS-A/L和CHARMM36m五个力场（涵盖常规力场和最新优化力场）对p53TAD2无序区域的结构系综进行表征。模拟结果分析发现，对于p53TAD2体系，五个力场的模拟结果差异明显:CHARMM27过度稳定螺旋结构;OPLS-AA/L对β-sheet和Bend结构有很强的偏向性，并生成最紧凑的结构系综;CHARMM36m生成较伸展的无规结构系综;AMBER03和AMBER99SB-ILDN力场有少量的螺旋结构存在，且后者的结构多样性分布最大。与理论预测Rg值和NMR实验数据进行比较，发现AMBER99SB-ILDN力场的模拟结果较其它力场相对合理;与复合物中结合态结构进行比对，发现五个力场的模拟系综中或多或少出现了一些类似结合态α-helix结构，这表明p53TAD2与大多数目标分子的结合过程可能是通过构象选择或者构象选择与诱导契合相结合的方式。　　本文第二部分以第一部分为基础，选择AMBER99SB-ILDN力场，结合分子动力学(MD)和副本交换分子动力学(REMD)模拟方法探讨磷酸化修饰对p53TAD2构象变化和结构动力学的影响。肿瘤抑制因子p53的N端TAD区域具有多个磷酸化修饰位点，这些位点的磷酸化修饰通常会通过影响蛋白质-蛋白质相互作用而调控p53的稳定性和活性。本文通过REMD方法对p53TAD2及磷酸化修饰的多肽的构象系综进行表征，结果显示磷酸化修饰对p53TAD2整体尺寸和构象分布的影响并不显著。但进一步分析发现，在X-Pro motif的肽脯氨酰键(ω角)的顺反异构方面，模拟结果显示Ser46位点的磷酸化修饰有利于紧邻的脯氨酸顺式构象的转变，而Pro58残基不管磷酸化与否都出现了顺式构象，这可能是其前面邻近的带电残基对其顺反异构的发生产生了影响。氢键以及与以复合物中α-helix为参考的CαRMSD分析显示，磷酸化修饰可能有利于螺旋结构的稳定和形成。并且MSM(Markov state model)方法分析也表明磷酸化修饰的p53TAD2构象从无序态至有序态的构象转变要更快，因此更利于形成有序的螺旋结构。我们的结果分析表明，磷酸化修饰对p53TAD2的结构及构象动态变化的影响可能是调控p53与目标分子（如p62/Tfb1）结合强度的因素之一。　　此外，因在前面的模拟中，我们发现在最新发展并适用于IDPs的CHARMM36m力场下，磷酸化p53TAD2出现比较稳定的盐桥结构。我们进一步尝试用该力场对p4EBP2(35-49)，pAsh1(440-452)和pSicl(31-47)几个磷酸化修饰的短肽进行了分子动力学模拟分析，同样发现了磷酸根的较强盐桥稳定倾向性。进而选取了有实验数据的Tau(173-183)和其磷酸化形式pTau短肽置于AMBER99SB-ILDN和CHARMM36m两个力场下进行1μs MD计算，发现AMBER99SB-ILDN力场得到的构象系综的末端距离分布与实验比较相符，而CHARMM36力场与实验不符，该力场同样出现了正电残基和磷酸根之间较强的盐桥作用。但两个力场在polyprolineⅡ区域(-90°＜ψ＜-20°，50°＜ψ＜180°)的骨架二面角分布和实验检测有明显差异，说明分子力场精确度的提高还有待更深入的研究。　　通过对无序蛋白质p53TAD2结构系综的表征和其磷酸化修饰的结构调节的探讨，我们期望能为无序蛋白质结构-功能关系的阐释，相关疾病的理解和药物开发以及分子力场的发展等提供有效参考。

关键词：天然无序蛋白质分子动力学模拟磷酸化修饰结构特征

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面向DNA/RNA化学修饰的结构生物信息学研究

面向DNA/RNA化学修饰的结构生物信息学研究

引用

作者：张一超上海交通大学

学位级别：硕士

DNA和RNA是生物体内重要的大分子。DNA是生命体遗传信息的主要载体；RNA经由DNA转录产生，行使多种生物学功能。天然的DNA/RNA会发生化学修饰来调控其功能，这些调控机理的阐明将有助于研发新的实验技术和治疗手段。本文分别通过结构生... 详细信息

DNA和RNA是生物体内重要的大分子。DNA是生命体遗传信息的主要载体；RNA经由DNA转录产生，行使多种生物学功能。天然的DNA/RNA会发生化学修饰来调控其功能，这些调控机理的阐明将有助于研发新的实验技术和治疗手段。本文分别通过结构生物信息学方法研究硫修饰对DNA螺旋稳定性的影响以及异核苷修饰对RNA干扰结构和功能的影响。 DNA骨架硫修饰是近年来发现的一种新的内源化学修饰，但其结构和功能并不清楚。本课题首先以分子力学方法对手性硫修饰二核苷及未修饰二核苷做构象搜索，并进一步用量化方法优化；然后测量每个局部最优结构的骨架结构，构建基于骨架结构的能量打分函数；最后收集NDB数据库中DNA的骨架结构数据，利用能量打分函数评估手性硫修饰对DNA螺旋性的影响。结果表明，自然存在的R构型硫修饰会导致B构型DNA螺旋不稳定。 RNA干扰技术中常用各种化学修饰方法提高双链siRNA在体内的稳定性和药物传递效率。本课题通过分子模拟的方法考察异核苷修饰对Ago蛋白和siRNA复合物结构的影响。结果表明，不同异核苷修饰会影响Ago蛋白中PAZ亚基的开合运动模式，从而影响siRNA切割产物的释放，进而影响RNA干扰的活性。

关键词：硫修饰 DNA螺旋打分函数异核苷分子动力学模拟 RNA干扰 siRNA Ago蛋白

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固液吸附中蛋白质分子的结构变化

固液吸附中蛋白质分子的结构变化

引用

作者：王昌秀天津大学

学位级别：硕士

该文从实验和理论两方面对蛋白质吸附过程中的结构变化进行了研究.首先,采用分子动力学模拟方法研究了蛋白质吸附过程中的结构变化.模拟中考虑了蛋白质分子内各原子和基团之间、蛋白质分子和水分子之间、蛋白质分子和固体表面之间的相... 详细信息

该文从实验和理论两方面对蛋白质吸附过程中的结构变化进行了研究.首先,采用分子动力学模拟方法研究了蛋白质吸附过程中的结构变化.模拟中考虑了蛋白质分子内各原子和基团之间、蛋白质分子和水分子之间、蛋白质分子和固体表面之间的相互作用.在模拟中,根据蛋白质分子的结构特点,将每一个肽平面和侧链都简化为刚体,通过求解肽平面和侧链的动力学微分方程确定肽平面和侧链的运动规律,描述蛋白质分子内各原子的位置.模拟的结果表明,在固液吸附中蛋白质的结构发生了变化.而且,根据不同时刻的模拟结果,得到了不同时刻肽链的二面角.二面角的变化说明在吸附过程中蛋白质分子的二级结构发生了变化.该文采用圆二色性光谱方法,对牛血清白蛋白和聚合赖氨酸在纳米S<,i>O<,2>和T<,i>O<,2>上吸附时的结构进行了测定,考察了pH、吸附剂以及蛋白质本身的性质等因素对吸附中蛋白质结构变化的影响.

关键词：蛋白质结构分子动力学模拟圆二色性光谱固液吸附聚合赖氨酸吸附机理

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甘氨酸晶体的生物铁电性研究

甘氨酸晶体的生物铁电性研究

引用

作者：胡鹏飞上海大学

学位级别：硕士

生物材料的铁电性是生物与物理领域的结合,在生物传感、疾病诊断和治疗方面具有巨大潜力。从20世纪50年代Fukada发现木材中的压电特性开始,生物材料的铁电性开始受到关注。随着现代实验技术的进步,发现了诸多生物材料具有压铁电性压,如... 详细信息

生物材料的铁电性是生物与物理领域的结合,在生物传感、疾病诊断和治疗方面具有巨大潜力。从20世纪50年代Fukada发现木材中的压电特性开始,生物材料的铁电性开始受到关注。随着现代实验技术的进步,发现了诸多生物材料具有压铁电性压,如骨骼、主动脉壁、指甲、牙齿、贝壳和肽纳米管等。然而生物材料结构复杂使得其铁电转换的一般原理还缺乏研究。甘氨酸是最简单的氨基酸,也是构成生物材料的基本单元,因此对甘氨酸铁电性质的研究是生物铁电性理论研究的重要开始。本课题基于密度泛函理论和现代极化理论计算了甘氨酸的铁电极化值。计算表明γ-甘氨酸在300 K时的自发极化约为70.86C?cm-2。此外我们提出了全新的晶体电荷计算方法（PCC）并进行了系统地分子动力学模拟研究,模拟表明γ-甘氨酸的居里温度和矫顽电场分别为630 K和1 V·nm-1,与实验证据一致。铁电切换的微观机理研究表明其铁电畴壁运动符合经典的KAI模型。本课题工作揭示了生物材料甘氨酸的铁电性质和铁电切换微观机理,这是生物材料铁电性研究的重要基础,将有助于新型生物铁电材料在生物、医疗、物理等领域的设计和应用工作。

关键词：铁电动力学分子基铁电体生物铁电分子动力学模拟

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气化细渣中多尺度水分赋存特性及不同能量场下脱水规律研究

气化细渣中多尺度水分赋存特性及不同能量场下脱水规律研究

引用

作者：刘虎中国矿业大学

学位级别：硕士

气流床气化是煤炭清洁高效利用的核心技术之一,气化工艺过程产生了巨量高含水气化细渣,而现有工艺的脱水方法存在着能耗高,细渣水分含量高,生产稳定性差等问题,同时脱水后填埋,挟带着大量水的气化细渣既侵占土地、污染环境,又浪费水资... 详细信息

气流床气化是煤炭清洁高效利用的核心技术之一,气化工艺过程产生了巨量高含水气化细渣,而现有工艺的脱水方法存在着能耗高,细渣水分含量高,生产稳定性差等问题,同时脱水后填埋,挟带着大量水的气化细渣既侵占土地、污染环境,又浪费水资源、降低企业经济效益。因此,实现气化细渣的高效脱水是煤化工企业亟待解决的重大问题。本文选取合适的表征手段获知气化细渣的物化特性,从宏观、介观层面分析其与水分的赋存特点,并以物化特性为依据建立气化细渣中残炭组分的分子动力学模型,研究气化细渣残炭组分与水分子、絮凝剂的吸附作用,进而从微观角度阐述了水分赋存机理。基于水分赋存特性的全面认知,结合能量的合理实配,首先采用低能耗的机械挤压方式,以非相变形式高效脱除细渣中34%以上大部分颗粒间的水分,接着探究了机械力强度与脱水效果、粒度组成、形貌保持的关系。以机械挤压脱水所得滤饼为研究对象,使用两种干燥原理截然不同的干燥方式——热风干燥、微波干燥,以相变形式脱除细渣中34%以下颗粒间剩余水分、孔隙内全部水分。从干燥动力学阐明了不同能量场下的细渣脱水规律,明晰了热风、微波干燥能耗的优势区间,构建不同能量场下的干燥动力学水分预测模型。具体内容如下:（1）无水气化细渣宏观上可分为残炭与灰两种组分,两者存在多种复杂、嵌布、共生形式。残炭与灰多以无定形形式存在,大部分灰为无定形硅铝酸盐微珠,大部分炭为无定形炭。气化细渣颗粒小,平均粒径81.77μm,孔隙率为42.73%,孔隙发达。浮选炭比表面积103.8 m2/g,孔体积0.002 cc/g,约是浮选灰的3倍。经XRD、XRF、FTIR分析获知,气化细渣含有较多Si O2亲水组分,少量酰胺基为絮凝剂-聚丙烯酰胺残留在细渣表面,其中的酰胺基亲水性高。干燥气化细渣的微波吸收功率是昭通褐煤的41倍,意味着在交变电磁场内取向极化和离子传导效应更加显著,即更多的电磁辐射能量转化为势能和动能,宏观上表现为介质温度的升高。（2）探究气化细渣水分赋存规律过程中,低温差示扫描量热法在-6℃和-40℃显示存在两种可冻结水。通过微型计算机断层扫描技术重构了气化细渣、残炭、灰、水的三维形貌,图像显示水分体积占气化细渣总体积57.47%,残炭形貌更加复杂、迂曲程度大,使得残炭比灰更有利于水分“栖息”。并以吸附等温线、密度、X射线衍射、扫描电镜等表征结果为依据,基于分子动力学的过程模拟,构建残炭模型。模拟结果表明,由于毛细力作用,水分子侵入残炭孔隙内部,且残炭模型表面聚丙烯酰胺的添加使得水分子侵入深度由13.579（?）增至22.631（?）,侵入水分子数从120增至155个。残炭-灰界面相互作用能-327.06 kcal·mol-1,由于表面絮凝剂的存在使得相互作用能增至-359.87 kcal·mol-1,说明吸附过程更加有利于自发进行。（3）研究了压力、热风、微波脱水特性,考虑能量的合理分配输入,首先使用低能耗的非相变脱水技术中的机械挤压脱水。实验结果表明,压力使平均粒径减小,压强大于90 MPa时滤饼局部破裂,压强增至109 MPa时碎裂程度加大,出现粉末碎片。以机械压力所得滤饼为下一步脱水物料,采用热风、微波去除34%的部分颗粒间水和孔隙水。热风脱水实验中,高压强滤饼起始含水量低,总脱水时间短,但干燥速率随物料的紧实度增加而降低,因此压强对干燥过程影响是双向的。相同压强下,不同热风温度干燥速率存在交点,交点前后大小相反。微波脱水实验中,含水细渣各组分对微波辐射的热能转化能力强弱依次为:水、残炭、灰。高压强滤饼水分少,在预热阶段低压强滤饼的干燥速率大于高压强滤饼。对比热风、微波两种干燥方式,热风干燥温度梯度外高内低,传热传质方向相反。微波干燥温度梯度外低内高,压力梯度内高外低,传热传质方向一致。（4）实验中80～160℃热风干燥至绝干的能耗约是160 W、320 W微波能耗的3～4倍。以67.5 MPa滤饼为例,160 W与320 W微波干燥实时能耗曲线在20min相交,交点能耗0.1322 KW·h/g,160 W与80℃实时干燥能耗曲线在120 min相交,且交点前后能耗大小相反。因此微波、热风干燥能耗存在优势区间,且不同微波功率也存在优势区间,若实现能耗的最小化,可在干燥的不同时间段,利用各自的优势区间,可合理搭配热风、微波两种干燥方式和微波输出功率。使用干燥动力学对热风、微波脱水进行总结,发现Logarithmic模型同时最适用于热风与微波干燥,相关系数均大于0.95,推导出热风干燥、微波干燥的水分预测函数。

关键词：气化细渣水分赋存分子动力学模拟干燥动力学多能量场脱水

来源：评论

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双相高熵合金强韧化机制的分子动力学研究

双相高熵合金强韧化机制的分子动力学研究

引用

作者：李芮宁西安石油大学

学位级别：硕士

高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)开创了金属材料的全新领域,HEAs采用多种主要元素为基本组元,打破了传统合金以单一元素为主的设计理念,它们的组织和性能在很多方面都有别于传统合金。HEAs具有优异的力学性能、耐腐蚀性、耐高温等性... 详细信息

高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)开创了金属材料的全新领域,HEAs采用多种主要元素为基本组元,打破了传统合金以单一元素为主的设计理念,它们的组织和性能在很多方面都有别于传统合金。HEAs具有优异的力学性能、耐腐蚀性、耐高温等性能,因此成为未来最有发展潜力的新型材料之一。HEAs的晶体结构通常为简单的面心立方结构(FCC)、体心立方结构(BCC)以及密排六方结构(HCP)。然而,单相的HEAs通常具有强度-延性权衡效应,如单相FCC结构的HEAs有优异的塑性变形能力,但强度相对较低,会大大限制FCC结构HEAs的广泛应用。为了获得高强度高塑性的HEAs,研究人员做出了很多努力并取得了相应的结果,研究发现引入第二相结构可以打破强度-延性权衡效应,其中,晶体/非晶双相HEAs和FCC/HCP双相HEAs都可以在提高材料强度的同时不损失其塑性。因此,本文系统研究了在晶体相中引入非晶相对FCC结构的HEAs的力学性能和变形机制的影响,并且阐明了在FCC/HCP双相HEAs中位错与HCP结构的相互作用机制,该研究对于设计和制备更高性能的双相HEAs提供理论依据。本文的主要研究内容和研究结论如下:(1)在晶体中引入非晶相可以有效地改善晶体HEAs的力学性能。本文通过分子动力学模拟,研究了在单轴拉伸下,通过改变非晶相厚度、晶粒尺寸和元素含量来探究这些因素对晶体/非晶双相HEAs变形机制和力学性能的影响。结果表明,由于晶体相与非晶相的协同作用,在HEAs晶体中引入非晶相可以改善HEAs的力学性能。结果指出,双相HEAs的屈服应力和平均流动应力大于单相多晶HEAs,是由于晶体/非晶界面的稳定性和剪切带的形成对非晶相尺寸的依赖性。随着非晶相厚度的增加或晶粒尺寸的减小,HEAs的塑性变形机制逐渐从晶体相中的位错滑移转变为以非晶相为主的剪切带运动。研究发现,改变晶体相的组分含量不仅可以提高HEAs的强度,而且可以在一定程度上提高其塑性,从而获得具有高强度和良好塑性的HEAs。(2)近年来,FCC/HCP双相结构是实现HEAs的高强度高塑性而提出的一种新的设计策略。本文通过分子动力学模拟研究了FCC/HCP双相结构CoCrFeMnNiHEAs中HCP相厚度、应变速率和温度对螺位错与HCP相相互作用机制的影响。结果表明,位错与HCP结构之间存在两种相互作用机制:一种是位错穿透HCP结构,即穿透机制,另一种是位错被HCP相吸收,即吸收机制。这两种机制的产生主要取决于HCP结构防止位错滑移的相对能力,这与HCP结构的厚度、应变率和温度密切相关。当HCP结构阻挡位错的相对能力较大时,位错与HCP结构之间的相互作用呈现吸收机制;否则,它呈现出穿透机制。该研究可为新型高性能HEAs的开发和设计提供理论指导,以实现材料的高强度和高延性。

关键词：高熵合金力学性能双相合金变形机制分子动力学模拟

来源：评论

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颗粒增强铝复合材料超塑性及晶界滑移的分子动力学探讨

颗粒增强铝复合材料超塑性及晶界滑移的分子动力学探讨

引用

作者：韩立红哈尔滨工业大学

学位级别：博士

铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、良好的热稳定性以及性能与功能方面的可设计性等特点,在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有广阔的应用前景,成为当今金属基复合材料发展与研究的主流.然而,在常温下很难进行铝基复合... 详细信息

铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、良好的热稳定性以及性能与功能方面的可设计性等特点,在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有广阔的应用前景,成为当今金属基复合材料发展与研究的主流.然而,在常温下很难进行铝基复合材料板材的弯曲和成型,这成为铝基复合材料走向实用化的严重障碍,因此系统研究铝基复合材料的超塑性具有很重要的实际意义.利用粉末冶金技术,选择工业6061铝合金为基体,制备了Al<,2>O<,3>颗粒增强复合材料（Al<,2>O<,3>p/6061Al）和AlN颗粒增强复合材料（AlNp/6061Al）.通过透射电镜（TEM）手段对复合材料的微观结构进行了研究.结果发现,AlNp/6061Al复合材料在制备和超塑性预处理（挤压后热轧）过程中产生了较高的热错配应力,并由此在基体中形成了高密度的位错,位错在界面（晶界和增强相-基体间的界面）附近塞积;Al<,2>O<,3>p/6061Al复合材料在制备和超塑性预处理（挤压）过程中产生的热错配应力水平较低,基体中位错稀少,呈低位错组织特征.为了研究超塑变形的微观机理,更好地解释超塑变形过程中晶界滑动的微观本质,采用了分子动力学方法从原子角度模拟了不同晶界模型的微观滑动过程.结果发现,∑3对称扭转晶界模型与∑3对称侧晶界模型在OK滑动时,系统的势能与计算步数之间的关系曲线呈现周期性变化的规律,而∑13非对称倾侧晶界模型系统的势能与计算步数之间的关系却呈现阻尼振荡特征的变化规律.晶界原子所受力在晶界模型滑动过程中也发生变化.∑3对称扭转晶界模型高温滑动时,晶界模型上下两个晶粒间的滑动是一个连续的过程,晶界下方的原子会随着上方晶界原子的运动而运动.∑13晶界模型在850K滑动时,模型中的原子发生了明显的扩散和迁移,其中以晶界原子的扩散、迁移最为剧烈和明显.∑3对称倾侧晶界模型在OK滑动时,不但系统势能与计算步数之间的关系曲线呈现周期性变化的特征,同时还发现晶界模型低温滑动过程中晶界发生明显的迁移.

关键词：铝基复合材料颗粒超塑性分子动力学模拟

来源：评论

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镍基合金抗辐照性能的模拟研究

镍基合金抗辐照性能的模拟研究

引用

作者：稂林湖南大学

学位级别：博士

随着社会经济的发展,人们对能源的需求越来越大,然而全球化石能源面临着枯竭的危机,寻找可替代的清洁新型能源,解决能源危机是目前全球研究的热点话题之一。核能,因清洁环保,高效等优势,被人们公认为是最理想的可替代新能源。核结构材... 详细信息

随着社会经济的发展,人们对能源的需求越来越大,然而全球化石能源面临着枯竭的危机,寻找可替代的清洁新型能源,解决能源危机是目前全球研究的热点话题之一。核能,因清洁环保,高效等优势,被人们公认为是最理想的可替代新能源。核结构材料作为核反应堆中的关键部件,一般都处于高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下,核反应堆结构材料直接决定了核反应堆的安全性和服役寿命。因此,在先进核反应堆的应用开发过程中,结构材料的研发是至关重要的。目前镍基合金作为未来先进核反应堆结构材料具有重要的应用前景,深入探讨镍基合金的抗辐照性能是十分必要的。本工作采用分子动力学方法研究了Ni单质、Ni基合金、Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金的抗辐照性能。首先,研究了∑3（111）、∑11（113）和∑19（331）三种对称晶界和掺杂He原子对Ni中级联缺陷的影响。模拟结果表明,∑11（113）和∑19（331）对称晶界对辐照诱导产生的间隙缺陷和掺杂He原子具有“吸附”作用,从而导致间隙缺陷和空位缺陷分布在不同区域,使其缺陷复合率降低。而∑3（111）对称晶界对Ni中辐照缺陷几乎没有影响。同时,还发现在∑11（113）和∑19（331）对称晶界中He原子团簇的分布对Ni中位错环的形成有一定的促进作用。其次,为了研究NiMo合金级联效应,本文采用本课题组发展的MAEAM势函数模型构建了Ni-Ni、Mo-Mo和Ni-Mo原子间相互作用势,并与实验、第一性原理结果以及已有的势函数结果进行了详细对比。结果表明本文新构建的势函数其各项物理性能的验算结果均能很好地吻合实验值及第一性原理结果,且在描述辐照缺陷方面,新的势函数相比于已有的势函数具有一定优势。进一步采用新构建的势函数对比研究了Ni和Ni Mo合金的抗辐照性能,分析了辐照后缺陷的形成和分布,研究结果表明新构建的势函数可以适用于Ni Mo合金体系级联模拟。再次,还研究了Ni-Zr-Mo三元非晶体系非晶的形成能力与抗辐照性能之间的关系。在本研究中,首先研究了Ni64Zr36-xMox中微量Mo元素的添加,对非晶形成能力的影响。研究结果表明,随着微量Mo元素的增加,非晶形成能力先是增加,在fMo=0.21附近到达最大,再添加Mo元素其非晶形成能力反而降低,模拟得到的结论与已有的理论和实验结果相符。而且Mo原子的添加不单单是简单的替换Zr原子,而且还显著改变体系原子的堆垛方式和化学序,使体系原子排列更紧凑、更稳定。通过第一性原理分子动力学计算电子态密度等方法验证了新提出的拓扑密堆（Topologically close-packed,TCP）团簇可以有效且准确地表征该体系的非晶形成能力,而目前通用的二十面体（Icosahedron,ICO）团簇对该体系的结构特征缺乏合理的表征能力。最后,对Ni64Zr36-xMox进行了级联碰撞模拟,采用TCP团簇表征方法分析发现,TCP团簇越多,非晶形成能力越好,其抗辐照性能越强。最后,本文还对比研究了Ni单质和NiCoFe三元单相固溶体合金的抗辐照性能。研究结果表明相比于Ni单质,NiCoFe单相固溶体合金在级联过程中由于能量耗散速度比较慢,间隙缺陷团簇迁移运动方式为三维运动等原因,辐照后剩余缺陷比较少,缺陷的复合率高,抗辐照性能好。进一步分析了Ni和Ni Co Fe中存在的位错反应,解释了辐照诱导产生的复杂位错环/网的机理。综上所述,本文对比研究了Ni单质、Ni基合金、Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金的抗辐照性能,揭示了不同Ni基合金体系辐照前后结构的演化机理以及Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金抗辐照性能好的原因。同时,提出了调整非晶合金的成分方法来选择性地调控非晶合金的结构以及非晶的形成能力,从而获得抗辐照性能好的非晶合金的技术手段,为非晶合金的制造和未来先进核反应堆结构材料的开发与设计提供了指导。

关键词：辐照损伤 Ni基合金 MAEAM势函数拓扑密堆团簇单相固溶体合金分子动力学模拟

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纳米通道气体输运的界面效应和理论描述

纳米通道气体输运的界面效应和理论描述

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作者：钱建豪中国科学技术大学

学位级别：博士

纳米通道中的气体输运广泛存在于自然界和工业领域,在气体分离、页岩气开采和气体催化等领域具有重要的应用背景。当通道尺寸缩小到纳米级别,传统的连续介质假设便不再适用,气体分子表现为自由分子流态,其与通道壁面的相互作用成为影响... 详细信息

纳米通道中的气体输运广泛存在于自然界和工业领域,在气体分离、页岩气开采和气体催化等领域具有重要的应用背景。当通道尺寸缩小到纳米级别,传统的连续介质假设便不再适用,气体分子表现为自由分子流态,其与通道壁面的相互作用成为影响气体传输的主要因素。Knudsen理论,作为自由分子流的关键理论,广泛用于描述纳米通道中气体输运现象。Knudsen理论假设气体分子与壁面碰撞后发生漫反射。然而,近期实验结果表明,在一些原子级平滑的材料表面,气体分子以镜面反射为主。在这类材料构成的纳米通道中,气体流量比Knudsen理论值高出几个数量级。原子级光滑材料由于其在气体传输上的极低阻力,展现出在气体分离等领域的巨大应用潜力。然而,对于这些光滑材料的气固相互作用的研究,以及描述光滑纳米通道中气体流量的理论,目前仍然不足。本文聚焦于纳米通道中气体输运的界面效应和理论描述,针对以下三个关键科学问题进行了深入研究:壁面形貌对气体反射的影响机制、气体分子构型对气体反射的影响机制、以及在不同反射模式下纳米通道内气体流量的高精度描述。主要工作和研究成果简述如下: (1)研究了原子级光滑壁面的表面形貌对气体反射形式和纳米通道气体流量的作用机制。首先,通过分子动力学模拟发现气体通过石墨烯纳米通道的传输速度明显高于Knudsen理论值,而同为原子级别光滑的二硫化钼纳米通道的气体通量与Knudsen理论预测值一致。进一步,利用等势面可视化了石墨烯和二硫化钼的表面起伏,并分析了氦气在不同材料表面的切向动量调节系数,发现氦原子在石墨烯上碰撞后的切向动量损失远小于在二硫化钼上碰撞后的损失。最后,研究了曲率效应对等势面粗糙度的影响,指出弯曲石墨烯内壁比平整石墨烯壁面更光滑,碳纳米管中的气体流量增强系数远大于石墨烯纳米通道内的增强系数。 (2)揭示了气体分子的几何形状对光滑表面纳米通道内气体传输和气体反射的影响,阐明了分子量相近的气体在流量上出现显著差异的原因。观察发现,几何形状复杂的气体分子在与壁面碰撞时,其初始动能更容易以振动和旋转动能的形式被消耗,进而抑制气体分子反射。同时,也发现即使对于惰性气体,其分子的切向平动动能同样能够抑制从壁面的反射。因此,提出将振动能、旋转动能和切向平动动能统称为无效动能,并发现无效动能与初始动能的比率可以作为预测气体分子是否能在每次碰撞后从壁面逃逸的标准。此外,利用无效动能,量化分析了气体漫反射程度以及纳米通道中气体通量与Knudsen理论估算值之间的偏差。并详细分析了气体分子构型在石墨烯/氮化硼异质结膜对氢气高效筛选中的作用机制。 (3)提出了一种普适的Knudsen理论模型,以预测不同反射形式下纳米通道中的气体流量。首先,指出了 Smoluchowski模型在镜面反射占主导的情况下会极大高估纳米通道气体流量。接着,通过分析镜面反射对气体耗散流量的削弱,改进了 Knudsen模型,使之能够适应各种边界条件,覆盖漫反射系数f从0到1的全范围漫反射系数。利用分子动力学模拟和蒙特卡罗模拟计算了不同反射形式、不同横截面、不同通道尺寸的纳米通道内气体流量,验证了普适Knudsen理论模型的有效性。最后,应用普适Knudsen理论解释了纳米通道气体流动的实验结果。该研究为气体分离等工艺提供了新的理论框架。本文系统探究了壁面形貌和气体分子构型对气固界面效应和纳米通道气体传输的作用机制,并提出了普适Knudsen理论模型,为气体分离、页岩气开采以及气体催化等多个领域的应用提供了坚实的理论支撑。

关键词：纳米通道气体输运界面效应 Knudsen理论镜面反射分子动力学模拟

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石墨烯超级电容储能纳米尺度数值模拟及定向实验调控

石墨烯超级电容储能纳米尺度数值模拟及定向实验调控

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作者：杨化超浙江大学

学位级别：博士

伴随着环境污染与能源匮乏,迫切需要发展可再生能源及其能量存储和转换新装置。超级电容是基于双电层原理,利用高比表面积电极材料物理静电吸附离子储能。相比传统电池,超级电容有着功率密度高(>10kWkg-1)、充放电速度快(105次)和工... 详细信息

伴随着环境污染与能源匮乏,迫切需要发展可再生能源及其能量存储和转换新装置。超级电容是基于双电层原理,利用高比表面积电极材料物理静电吸附离子储能。相比传统电池,超级电容有着功率密度高(>10kWkg-1)、充放电速度快(<30s)、循环寿命长(>105次)和工作温度窗口宽(-40到85℃)等优点。为了提升超级电容储能性能,电极材料已由传统活性炭发展到石墨烯纳米材料。新型纳米材料在储能过程中表现出特殊性,如边缘效应和尺寸效应等。这些纳米材料储能的本质是在电子所产生的电场驱动下离子、原子等载能粒子在纳米通道(<2nm)中的动力学传递与微观排布。但是,Goup-Chapman-Stern经典双电层理论在一定程度上无法描述石墨烯超级电容特殊的储能机理。在纳米尺度下,基于连续流体假设和纳维-斯托克斯方程的有限元方法已不再适用。基于随机运动的经典分子力学只能描述平衡态性质,无法描述动力学性质。另外,单一尺度的量子力学计算(Density Functional Theory,DFT)和分子动力学模拟(MolecularDynamics Simulations,MD)只能分别描述电子、原子层级信息。针对当前研究现状,我们率先提出了密度泛函理论和分子动力学模拟相结合的多尺度研究方法(DFT&MD)以探究石墨烯超级电容储能的边缘效应和尺寸效应,从电子、原子层级揭示了内部储能机理。另外,针对传统化学法所得石墨烯易团聚、比表面积低、孔隙结构难控制等问题,本文提出了等离子体方法制备垂直取向石墨烯新型纳米材料。根据所得纳米尺度能质传递机理,我们开展了电极材料形貌结构和电解液性质的定向实验设计,最终实现垂直取向石墨烯超级电容高性能储能。借助DFT&MD多尺度模拟的方法探究了超级电容储能边缘效应。首先,本文构建了不同长度的石墨烯。运用DFT计算和Bader分析研究了边缘效应对石墨烯表面真实电荷密度分布的影响。进而,将DFT模拟所得电荷密度分布应用于MD计算的初始设定。通过考察数密度分布、自由能阻力分布、双电层厚度以及离子混合系数等,我们探究了边缘效应对界面微观双电层结构的影响。另外,我们重点考察了多层石墨烯边缘层间距(从3.4 A到5.0 A)对超级电容储能比容量和动力学行为的影响。通过分解总电势曲线,我们分别量化了离子和溶剂分子对储能的贡献,进而揭示了储能机理。对于多层石墨烯,本文首次提出了由溶剂效应主导的储能微观机理,不同于单层石墨烯和传统观点。所得结论指出增加边缘比例能够强化超级电容储能,进而可指导电极材料结构形貌的设计与构筑。另外,本文研究了石墨烯纳米通道储能的尺寸效应。对于非受限空间,我们探究了离子大小、化学价、混合电解液对电极比容量和动力学扩散系数的影响。不同于传统观点,本文提出了动力学性质主导的储能机理,并提供了调控离子-溶剂间作用势能以定向设计离子动力学行为的新思路。而对于受限空间(纳米通道),本论文探究了通道尺寸(<2.0nm)对双电层微观结构和电极比容量的影响,首次发现水系电解液在亚纳米石墨烯通道存在储能异常增加的现象。不同于Goup-Chapman-Stern经典理论,随着通道尺寸减小,双电层结构先后经过扩散层消失、紧密层变形和单层吸附等,进一步指出经典理论在纳米尺度已不再适用。特别地,当离子以“single-file”单层排布时,储能比容量将达到最大,进而获得了最优化储能管径的设置范围:裸离子直径dc<通道间距d<溶剂化直径dh除了边缘和尺寸效应,我们还探究了表面润湿特性对石墨烯纳米通道储能和动力学行为的影响。通过调整电极-电解液Lennard-Jones作用势能,我们获得了具有不同润湿特性的石墨烯电极,从强疏水(接触角θ=142.5°)到亲水(θ=48.3°)。通过积分泊松方程,我们量化了润湿特性对非受限空间和受限纳米通道电极比容量的影响。不同于非受限空间和传统观点(比容量将随着润湿特性改善而单调增加),本文首次发现了非对称钟型(Bell-shaped)比容量-接触角θ关系曲线。对于不含溶剂分子的室温离子溶液([BMI][PF6]),我们也发现了类似的变化趋势。在储能动力学方面,我们指出随着润湿性能改善,储能机理将从由离子交换和反离子吸附共同主导转变为单一反离子吸附。MD模拟所得结果表明,电极材料并非是润湿特性越好越利于储能,而是在弱疏电解液状态时能够实现储能最大化,进而指出精确调控润湿特性能够实现超级电容储能密度进一步提升。基于DFT&MD计算所得纳米尺度能质传递微观机理,我们开展了电极材料形貌结构和电解液性质的定向实验调控,从而实现高性能超级电容储能。针对传统化学法所得石墨烯易团聚、比表面积低、孔隙结构难控制等问题,我们率先提出等离子方法制备新型石墨烯纳米材料,即垂直取向石墨烯。基于所得纳米尺度能质传输机理,我们还开展了垂直取向石

关键词：分子动力学模拟密度泛函理论边缘效应尺寸效应垂直取向石墨烯超级电容

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