研究和评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志》上
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ISSN: 2321 - 6212
Doaa说*
部门物理化学德黑兰,伊朗德黑兰大学
收到:11 - 4月- 2022年手稿。joms - 22 - 60237;编辑分配:13 - 4月- 2022,PreQC没有。joms - 22 - 60237 (PQ);综述:25 - 4月- 2022,质量控制。joms - 22 - 60237;修改后:2022年- 4月27日,手稿没有。JOMS 22 - 60237 (R);发表:04 - 2022年5月- 2321 - 6212.10.4.004 DOI: 10.4172 /。
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这项工作研究硅衬底的影响以及温度对成冰作用通过分子动力学模拟。发现硅衬底加速冰层的形成率。根据系统的温度,形成率可以加速或减速。结果表明,随着温度的增加从最低温度100 K到最高温度220 K,水分子转化成冰的数量减少。我们发现的疏水性硅接近冰的形成不是一个障碍。高硅和水分子的氢原子之间的相关性刺激了冰表面形成硅和允许的形成无定形冰直接在硅的表面。温度影响冰区分两个不同的行为,形成一个从100 K到180 K和第二个180 K以上。这些行为是无定形冰的温度是稳定的。氢键和一生的平均数量与密度资料数量最好能解释硅如何影响冰的形成。协调的水分子数量增加与硅衬底的温度的降低,这意味着更大的冰集群被发现。 The ice molecules formed near the silicon substrate are more recognized than in bulk. To better understand these effects, bulk systems were used as comparative systems.
硅衬底;分子动力学模拟;冰的形成;温度效应
如今,水和冰成核的研究获得了科学界的关注比以往更多。许多实验和理论研究进行了在不同基质和冰核系统在各种条件下。了解冰形成至关重要因为成核正成为一个新兴的方法在许多领域,如大气研究[1,2),水上运输在植物(3)、微生物学(4),和食品保存(5]。
一些因素会激发或抑制冰形成压力,添加种子,电场。调查在冰上施加压力的影响在压力下形成的现象表明,冰融化虽然改革压力解除(6]。近年来发现了另一种方法是添加一个“种子”,如冰,成核的模拟将开始(7,8]。几个条件进行了研究,探索其与冰成核,是否抑制或引发。在施加电场模拟支持冰立方结构的形成,因为电场极化冰,因此冰立方可以存在于两极,而六角集群不结冰可极化的条件下(9- - - - - -11]。
底物类型及其属性有关的其它因素影响冰核。如果我们想要解释的疏水性底物,它可以总结为:冰核效率将丢失如果吸附太强,由于水分子的高覆盖率。吸附的能量会增加底物的亲水性的增加(12]。刚刚等人发现,石墨表面能促进冰成核,但表面的结构会影响成核。他们还总结称,粗糙表面抑制成核;然而,平的提高(13]。此外,石墨的存在有利于水分子的分层14]。第一层建立分层,然后第二层将堆叠的正上方第一个(13,15,16]。另一项研究[17],依赖于硅和石墨基质表明,水的密度增加这些基质的固体基质的存在扰乱的界面层水分子直径只有几离水面。
高岭石表面的无机表面,捐赠者的羟基的作用和氢键的受体(18]。的羟基铝铝的存在形式的重新定位一个六角冰结构。,从严格的网站如果高岭石的层的六角形和冰立方模式而无需羟基重新定位(19]。Al-terminated和OH-terminated氧化铝表面显示表面终止的性质决定了界面的组织水分子产生明确的模式(20.]。温度起着至关重要的作用在控制冰形成或融化。的情况下选择一个温度几度低于熔化温度,根据底物的疏水性,它会导致冰的形成21]。冰的形成经过两个阶段:首先,pre-critical冰核形成期间叫诱导期,然后它将形成和重熔,直到稳定,成为一个关键的核,并从这个种子,冰就会形成(22]。当选择一个温度接近熔点,冰的增长速度就慢。背后的原因,是快速减少水的平移运动,然后,像冰一样的水晶将形成,然后像冰一样的层会融化。最近的研究试图提高利用Nano-grooves冰成核。所做的功张使用硅衬底nano-groove表明,粗糙度的疏水性底物不影响成核。成核速率被发现敏感槽的大小,可以形成冰槽内多放在一个平面上(23]。
表面缺陷的影响也被研究来解释其影响冰核。碘化银(AgI)吸引了这些研究由于其能力成冰作用即使在270 K (24]。的一个重要结果是两个六角形的存在以及冰立方结构AgI (25]。碘化银表面缺陷描述,缺陷不影响冰核。然而,周围的表面缺陷降低了成核率。减少是由于表面的水化层的扰动,这将导致制动关键核形成(26]。
描述冰成核,应该有一个批量参考比较的结果,特别是当使用水基质,知道什么影响底物(27]。所做的功邱旨在证明是否冰可以在石墨表面成核(28]。结果描述,在界面层水的热力学性质相似的体积;因此,成核。结果大体积的水系统也用于非常了解石墨烯氧化物的结果围壁在相变温度(21]。看到,相变温度少了34 K的围壁比大体积的水。推广行为的另一种方法在蛋白质的存在表明,水化水这水,根据径向分布函数(RDF)的结果,大部分在8的具体行为。在8,山峰位于相同的距离。然而,这些对水化水更清晰(29日]。因此,本研究旨在分析在冰上疏水性底物形成的影响通过对比结果与批量数据在不同的温度下。
仿真系统大部分的细节
为了了解在冰上疏水性底物形成的影响,大部分系统作为参考系统。模拟进行使用LAMMPS [30.和TIP4P /冰模型31日),这是为了应对固相转变。TIP4P /冰被认为是一个潜在TIP4P模型的模型修改。它是一个有吸引力的模型由于其简单和准确的结果不增加计算时间。出于这个原因,它已成为高度平衡和非平衡研究中使用。这个模型的预测密度和共存曲线的冰被证明是比其他水模型。它打算给一个六角形的重要调查冰,冰立方冰,和密集的形式(31日- - - - - -34]。在此系统中,ε为氧气和氢原子分别为0.21084和0.0千卡/摩尔,分别。使用的(原子是3.1668和0.0,分别。部分费用(q)申请氧气和氢气分别为-1.1794和0.5897,分别。所有的原子间的相互作用被Lennard-Jones模仿的潜力。Nose-hoover恒温器和恒压器应用于固定的温度和压力。(35,36]。模拟进行了使用周期性边界条件的三个方向。六角冰分子的数量是1728,与1500年水分子结构设置在一个盒子里。模拟进行了在不同的温度下有isothermal-isobaric不扩散核武器条约》(NPT)合奏和1 atm的压力。步骤2时fs进行20 ns。
仿真系统的细节在硅衬底用冰和水
硅衬底1584个原子组成的应用。使用相同的尺寸和数量的原子大部分系统,一盒六角冰和一盒水是在硅衬底。添加六角冰盒子是加速冰的形成。典型的模拟盒子的大小是84 42××28 A3。水分子之间的相互作用和硅被8 - 10 Lennard-Jones潜力,σSi = 3.387千卡/摩尔和εSi = 0.585。周期性的边界条件被应用在所有的方向。速度Verlet [37算法是用来解决运动的方程。抖动算法来解决债券也被应用。10截止申请所有键作用力。几个不扩散核武器条约》在四个不同温度下进行了分子动力学模拟。CHARMM力场(被利用38]。温度和压力的稳定使用Nose-Hoover恒温器和Nose-Hoover恒压器。本研究中使用的温度100 K, 140 K, 180 K, 220 K。模拟时间步的进行20 ns 2 fs。图1代表了研究系统的配置。
图1:初始配置系统在硅衬底的红色,青色,和蓝色的颜色代表氧,氢,分别和硅原子。大部分系统的初始配置是相同的,但缺乏底物。
与硅衬底的系统将被表示为si - 100, si - 140, si - 180和si - 220根据使用温度100 K, 140 K, 180 K, 220 K,分别。
径向分布函数
第一个峰值在大部分系统被发现在2.74,在良好的协议与实验数据39,40]。通过比较不同硅系统之间的结果首先,我们发现的峰值oxygen-oxygen径向分布函数(RDF)是最高的si - 100和大部分系统在100 k,第一个峰的强度达到7分别和6。峰的强度随着温度的增加而减少。强度的降低是由于更少的水比固态液态的积累。换句话说,冰的相关分子与邻国的相关性高于液体。图2显示有一个峰值在2.65严格oo的温度,这表明水分子的积累的最亲密的距离相对于彼此。对于大部分系统,峰的强度都低于硅衬底的系统。
图2:o - o硅和g (r)在大部分系统。100 K, b。140 K、c。180 K, d。220 K. (Note:
散装)
图3,代表了s RDFs地表明,硅衬底的四个系统都是相同的。g (r)地表现出峰值的1.74系统,大部分与实验相关数据(39]。RDF不能全面地数据结构的水,无论是在液态或固态,因为大部分的山峰和系统与硅衬底的温度几乎是一样的,有轻微的转变只在大部分系统的第二个高峰。显示的高度差RDF图4表明,第二个峰值在100 K相比是最高的峰值在140 K, 180 K, 220 K,大部分系统。这强烈的高度差可以激发集群结构之间的相关性。第二个峰值增加与减少与硅基板的温度系统。它可以建立从g (r) Si-H高度相关的发生在100 K时,至少有一个是220 K, 140 K和180 K,而表达的相关性大约是一样的图5。Si和H抑制之间的高相关的水分子移动除了硅衬底,因此,冰形成直接在硅衬底。
图3:g (r)为硅和大部分系统地在,100 K, 140 K, 180 K、c。d。220 K(注意:
散装)
图4:硅和大部分系统g (r)高度差。100 K, b。140 K、c。180 K, d。220 k(注意:
散装)
图5:Si-H RDF与硅衬底的系统。
si - 220)
在220 K的演化曲线非常不同于其他曲线。这句话可以用来分类两个行为取决于温标:一个从100 K到180 K和180 K以上。之前的研究结果报道(34解释,对于大部分系统,随着温度的增加,第一个峰的强度下降,这是可以注意到在g o - o散装系统(r)。
水分子的径向分布函数的si - 100 g o - o液态水的验证(r)的低温水的硅(六角冰分子被排除在这个计算)。的进度曲线中描述图6显示明显的差异,进行si - 100显示一个水分子的无定形冰进化。这个结果验证了实验研究由吴永昌et al .,他们发现存在一种无形的冰层在疏水表面41]。高硅之间的相关性和氢意味着水分子没有得到除了衬底,冰层是直接在表面上形成的。
图6:g (r) oo的大部分在273 K,水在100 K,六角冰在100 K(注意:
根据这项研究在2006年发表的(42冰)解释非晶态结构,g o - o的无定形冰(r)与无定形冰相配的结构在低密度(类似于这项工作)。第一个峰值的模拟研究是在强度为6.4,2.6,第二个峰在4.4 (43]。Oetjen表示,无定形冰从-160°- -125°C是稳定的,它需要很长时间才能从非晶态转变成另一种类型的冰(44]。的行为被认为在220 K Si-H可以解释的不稳定无定形冰180 K以上。这一发现给更详细的两个行为:一个100 K和180 K之间稳定的无定形冰,和第二个180 K以上冰不稳定的非晶结构。换句话说,低温不支持六角冰的形成。然而,形成无定形冰第一次在低温下,集群将命令。这个订购花了很长时间,稳定关键晶体完全形成后1µs [22]。
配位数
根据定义,建立了配位数从下的面积在g (r) oo的第一次高峰。获得的价值可以给详细的水或冰的存在。只有水存在时,这个数字温度增加而增加。六角形的冰,它不应超过四个45]。低密度的配位数也大约四无定形冰(LDA:密度小于1克/厘米3)[46]。LDA这里提到是因为系统的计算密度低于1 g / cm3。图7只是表现出的配位数。可以观察到,大部分系统的配位数是低比硅衬底时。系统与硅衬底,配位数波动在3.8,而对于大部分,约3.7。在Si的存在的最低温度,最高配位数。这是由于相关性最高的邻居(见g o - o) (r)。相关性降低,配位数减少。换句话说,当温度下降较大的集群形成的冰。道等人证明了在温度高于-160°C,小冰集群被发现(47]。这个结果与我们的结果有最高配位数的最低温度(100 K)。
图7:配位数为硅和大部分系统在不同的温度下。(注意:
冰的分子的数量
为了了解有多少冰分子形成,该算法由克兰西和英航'ez使用(48]。冰的分子的数量被发现使用以下方程:
Fi称为四面体参数;我是水分子的数量,倪是水分子的数量在第一溶剂壳,和ijk指数最近的邻居。Ɵ是两个氧原子之间的角度。自从六角冰结构是四倍,因为Ɵ应该-0.33四面体结构。如前所述,六角冰分子的数量开始所有系统的仿真是1728。它可以指出,随着底物的距离增加,冰的存在会降低。相同的现象被认为对于大部分系统,通过批量层,形成冰的数量减少。疏水性底物的影响可以看出,Si衬底附近形成它青睐的冰。Lupi等人得出的结论是,疏水性不是很好预测冰成核的能力(15]。这个预测可以很好的解释成冰作用在硅表面的疏水性底物。条形图绘制图8指定的冰形成的总数和水分子的数量变成了冰。冰的总人数的总和是六角冰分子和水分子转化成冰。获得数量的水分子转化成冰,方程(1)应用的水分子,和六角冰分子被排除在计算。关于温度的影响,它可以表示,随着温度的增加,冰形成的数量减少。图S1演示了距离的影响在冰形成的数量(见支持信息,图S2显示z轴的位置)。与RDF Si-H的结果,在100 K时,系统与硅衬底澄清高形成的冰在z < 5。此外,随着底物的距离增加,冰分子形成的数量急剧减少。
图8:条形图显示冰形成的总数和水分子的数量变成了冰。
生存概率和成核率
生存概率:成冰作用通过两个不同的阶段:感应和增长17]。在感应阶段,关键核形成。在这个阶段,冰融化和改革,直到它变得稳定。换句话说,水分子开始冰和液相之间的波动。这种波动产生了亚临界核。波动停止时,亚临界核发展成为一个至关重要的核心,它是一个稳定的种子。从这个种子,冰形成发射。在临界核的形成,这是至关重要的种子开始成核、生长时期的开始。关键的核发展成微晶,使液态的水变成冰。根据Molinero et al .,感应阶段需要900 ns,亚临界核形成的20个水分子。 After the induction phase, the growth phase started at around 1000 ns until it ceased [22]。图S2揭示了si - 100年开始增长阶段(见支持信息)。冰核开始形成六角冰块的边缘附近的水分子。在这个层次上,生存概率计算知道身份的变化,是否液体或冰。生存概率的定义(22]:
N(τ;τ+ t)的分子的数量保持在x阶段之间的时间间隔τ和τ+ t。米(τ)分子的数目在间隔τ。它是时间间隔平均的数量。只有水分子被用来计算后的生存概率确定增长阶段的开始。图9解释了生存概率的冰在τ的增长阶段中使用这个计算是10 ns。的概率冰初增长阶段是高的系统中硅的存在。这个概率达到0.95 si - 100,而对于大部分系统,这个概率达到0.4在220 K。生存概率si - 100年略有下降,si - 140和si - 180。而对于si - 220,下降非常锋利。硅衬底可以帮助成冰作用超过散装在低温下,“180 K。如之前所述,无定形冰稳定在很低的温度下,然而在220 K,这种非晶的冰是不稳定的。这种不稳定性是反映在曲线衰减si - 220。因此,冰的概率在增长阶段si - 220是最低的。基于生存概率,计算冰形成的数量波动,有时增加然后减少,从而保证我们的讨论在增长阶段和改革冰的融化,直到稳定的冰核形成。
图9:在不同的温度下生存概率的所有系统。(注意:
成核速率:计算冰形成的速率,六角冰分子被杜绝,只有1500个水分子。图10说明了冰的生成速率确定时间后启动的增长阶段。图反映出,随着温度降低,成核率增加。si - 220年大幅减少被认为,利率8.2×1023 m-3s-1后裔3.5×1023 m-3s-1。的成核所需的时间开始是2×换si - 100 fs, si - 140和si - 180。同时,si - 220年翻了一倍,这说明冰形成的不同行为高于180 K。这种行为类似于衰变意识到生存概率,发现冰的概率在这个温度是其余中最低的系统与硅衬底的温度。它可以推断这个生存概率成正比的速度冰的形成。冰增长阶段中发现的数量增加,冰形成的速度变得更快。明确不同硅系统之间的成核速率和大部分系统观察。大部分系统,成核是1×10的时候7fs。因此,它可以表明,硅衬底引发成核现象。
图10:在不同的温度下冰的生成速率。
数密度简介:很明显,冰的形成从水和六角冰分子之间的接触区。雷竞技网页版因此,冰的形成过程中沿轴。出于这个原因,三个地区被用来完全明白这个进展。5和-50之间的区域范围,在六角冰分子被排除在这个分区。第一个区域是-20 <×< 5,第二个-35年< <××< -20,第三个-50 < -35图11、12和13所示描述。图S2显示分区区域(见支持信息)。在100 K,系统显示裂解山峰散装和si - 100。的平均强度的峰值是相同的两个系统。峰的强度增加明显在该地区-35 <×< -20年,山峰变得更加兼容的散装和si - 100之间。在-50 <×< -35地区,峰的强度减少了距离si - 100,但是,发现冰的裂解结构结构。的感染高峰高强度可以认出大部分系统在-48年。这种结构被称为周期性的边界条件。相同的模式被视为系统在140 K和180 K。裂解山峰继续出现,除了六角冰分子。温度的影响可以通过比较得出峰的强度在-35年的< < -20年和-50年<××< -35区域,减少了距离。 The results at 220 K expressed short intensity peaks with a noticeable difference between these results and that at different temperatures.
图11:数密度剖面-20 <×< 5的系统研究。(注意:
图12:数密度剖面-50 <×< -35的系统研究。(注意:
图13:高等教育机构的首选。
平均氢键,氢键的生活时间
同意高度差RDF,很明显,在100 K,氢键的平均数量是最高的,然后随着温度的增加而减少的系统与硅基板。这个结果类似于工作由Bleszynski等人表明TiO之间的氢键2表面和水冰和水之间的氢键(多49]。表达的平均氢键图14,大部分系统的温度降低幅度比硅基板的系统。因此,可以推断,硅的存在有利于更多的氢键形成。高硅和氢之间的相关性可以解释冰成核过程。此外,硅衬底引发了在低温下更多的氢键的形成。图15代表所有的系统的生命周期。氢键的一生也同意平均氢键,这是高系统最高的平均债券(si - 100和散装100)。无定形冰的稳定性取决于氢键分解的时间。低价值的si - 220的平均氢键的一生最小型的水分子转化成冰。在220 K的快速破坏氢键无定形冰结构的不稳定造成的,所以下面的两个行为观察和180 K以上。
图14:所有的系统的平均氢键在研究在不同的温度下。
图15:大部分系统寿命(Ps)和系统在不同温度和硅衬底。
平均平方位移
平均平方位移(MSD)可以给一个想法的融化行为固体形态。众所周知,材料在液态时,他们的流动性高于固体。集群的形成可以抑制粒子的运动。自从MSD取决于分子移动位置根据参考点,这有助于冰融化形成或分析。如果冰融化,曲线会增加自分子介质中自由移动,而在冰形成的情况下,曲线波动在一个常数值(50]。
图16显示的平均平方位移结果大部分系统和系统与Si衬底在不同的温度下。曲线在100 K和线性是最低的;然后,随着温度的增加,并增加。批量在220 K的结果呈现越来越曲线,这是唯一可以看到的不同行为。因此,基质的影响在低温下可以评估。硅衬底附近的冰形成的集群,这些集群的大小与温度的增加减少。随着集群的大小增加,运动减少,默沙东-这意味着较低的值。此外,硅衬底阻止分子的运动由于硅原子和氢原子之间的交互(Si-HRDF)解释说。因此,大部分系统在220 K,曲线急剧增加的Si - 220。此外,si - 180和si - 220曲线之间的差别是显而易见的。 This is because in the absence of the substrate, the molecules exhibit freedom to move as the temperature increases.
图16:默沙东-曲线下的系统研究在不同的温度下的a . Si散装。(注意:
从上述结果,可以得出结论:硅加速成冰作用通过增加Si-H相关性。高硅之间的相关性和氢意味着疏水性硅的不排斥水。水形成无定形冰集群在疏水性硅衬底在非常低的温度。硅的存在增加了冰的生成速率和水分子的数量,从液态变成固态,因为它增加了硅和氢之间的相关性相比地。高度差RDF,配位数,冰的数量,平均氢键,氢键一生所指减少值随着温度的增加在硅的存在。它可以注意到硅衬底有利于氢键温度降低引起集群的形成。另一个温度显示在模拟执行的效果。发现了两种不同的行为在180 K和其他高于这个温度。这两个行为与无定形冰的稳定性有关,即无定形冰变得不那么稳定在温度高于180 K。这种稳定取决于硅之间的相关性和氢和形成氢键的生命周期。
作者宣称任何协会没有基金的研究。
作者声明没有关于这个手稿,金融或非金融相互竞争的利益。
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