開題報告是學位論文的一個總體規劃和設計，是研究生學位論文工作的重要環節，下面是小編蒐集整理的物理學博士論文開題報告範文，歡迎閱讀參考。
論文題目：奈米受限雙親分子溶液的分子動力學模擬研究
一、選題背景
在巨集觀水溶液中，溶質在水中一般體現為分散狀態，聚集狀態或過飽和狀態。分散狀態通常指溶質均勻分佈在溶液中，即溶質之間的關聯性較小;如果考察溶質的局域濃度或局域密度分佈，除去靠近容器邊界部分的分子會吸附到容器的壁上，即體現出較強的局域濃度或局域密度外，在其它部分的局域濃度或局域密度不因考察位置的變化而體現出不同。典型的例子如溶解在水中的甲醇，氯化鈉鹽溶液或者其他溶解度較高的物質。聚集狀態通常指溶質通過一定的相互作用，如氫鍵，範德瓦爾斯相互作用，庫倫靜電相互作用或者ππ相互作用堆積在一起，形成比較穩定的，具有一定堆積結構的聚集體。原子之間的關聯性較強。典型而又常見的例子是空氣中的小液滴。這裡水分子通過氫鍵相互作用形成比較穩定水分子團簇;一些非極性的分子，如氮氣，在水中常常依靠範德瓦爾斯相互作用會堆積成各向同性的團簇;當溶解在水中的離子達到溶解極限時，離子間的關聯成為主導因素，它們就會依靠較強的靜電相互作用形成有序的堆積結構，並以晶體的方式從溶液中析出;維持生命過程的氨基酸，多肽，蛋白質，當結構中含有平面的苯環結構，就使得ππ堆積成為可能。過飽和狀態是溶質體現出的一種亞穩的臨界現象，是指在一定溫度，一定壓力下，當溶液中的溶質的濃度已經超過該溫度，壓力下溶質的溶解度，而溶質仍然不析出的現象。過飽和溶液之所以能夠存在，是因為溶質缺乏在溶液中形成成核中心的條件。要在均一的分散相中形成一個新的有一定結構的團簇相，必須限制溶質的運動，這是消耗熵值的過程。這樣才能創造出一個新的介面。由於相互作用和介面能之間的競爭，導致要形成新相，必須跨越自由能壘。如果能壘較高，熱擾動就難以使系統跨過能壘，新相的形成就是稀有事件。因此，就常常需要較長的時間，或者根本不可能自發的出現新的相。這樣的過飽和溶液是亞穩定的，當加入外界干擾，如用力搖晃，攪拌，振動或者一小塊同成分的晶體時，就會促使亞穩定相向更穩定的結晶相或者聚集相轉變。
二、研究目的和意義
溶液中的溶質的行為一直是研究的熱門領域。溶質的關聯狀態：分散狀態，聚集裝態和過飽和狀態，它們涉及到我們生活中的方方面面，也直接關係到生產製造，等技術領域。特別的，雙親分子的聚集行為，形成的各種自組裝結構，小到奈米顆粒，膠束，再到磷脂細胞膜雙層結構，大到肉眼可見的功能型材料，無一不在發揮著重要的作用。受限空間廣泛存在於自然界中，細胞中蛋白質的大分子間，礦物中，土壤中的縫隙，人工奈米器械中的孔洞等。由於受限空間的存在，原子可以自由活動的區域就受到了限制，也因此會產生許多新奇的現象。比如甲醇和水的不完全溶解現象，碳奈米管中的超快水流，碳奈米管的開關效應，介面的反常潤溼行為。因此，我們提出的問題是：在受限空間中，溶質的關聯為會受到影響嗎?相比於巨集觀情況，在受限空間溶液中，是否會體現出不同?溶質的關聯狀態和很多因素有關，比如物質本身的屬性，介面的性質等。在目前的研究中，我並不打算一一把它們弄清楚。我們旨在通過對雙親分子的研究，從物理的層面揭示出受限空間這個因素是如何影響溶質關聯狀態的。
三、本文研究涉及的主要理論
分子動力學方法就是在已知粒子間相互作用勢能的形式，每個粒子的初始座標和速度的前提下，根據牛頓定律求解方程，獲得之後每一時刻，每一個粒子的座標和速度。系統達到平衡時，如果把不同時刻的資料視為許多樣本，通過樣本平均後，即可以得到對於體系的統計描述。這種方法依賴於計算機的計算能力，硬碟和記憶體容量。和實驗相比，成本低，能在較短時間內獲取大量樣本。可以在幾個奈米的尺度內獲得原子的定量描述。對於所研究的體系沒有太大的限制，既可以是幾個粒子的少體系統，也可以是大量粒子的多體系統。和蒙特卡洛方法相比，計算量大，佔用儲存多。分子動力學基於牛頓力學，這對於大多數量子效應不明顯的系統是可行的。但是，氫原子因為質量小，質子的運動常常是非局域化的，比如在氫鍵中，質子可以穿透能壘發生質子轉移。低溫下的氦原子也同樣具有高頻震動的`量子效應。對於這些情況，分子動力學不能給出好的描述。電子是處在基態的。基於波恩-奧本海默的近似，分子動力學中的勢能僅僅依賴於原子核的座標。也就是說，當原子核的座標發生改變時，電子可以很快的調整分佈，以使得系統能量最低。相互作用形式是成對疊加的。非鍵相互作用可以成對疊加。這個要求忽略掉了多體相互作用。比如電子極化。在這裡只能考慮平均的效應。邊界條件可能會引入非物理的內容。週期性邊界條件保證了粒子數守恆，但這樣做並不代表模擬的是無限大的體系，它人為的增加了粒子間的關聯。
自組裝是指在無外場條件下，依靠物質間的相互作用，自發形成具有特定結構的過程。這個過程有如下的特點：涉及的物質可以是原子，分子，離子，或是顆粒;物質之間的相互作用可以是範德瓦爾斯作用或是氫鍵;最終的結構具有一定的有序性，和初始結構相比，自由能較低。自組裝結構廣泛存在於自然界和生產過程中。在材料領域，一些典型的自組裝例子包括分子晶體，膠體顆粒，自組裝單層。生物方面，比如功能型多肽，磷脂雙分子層等。雙親分子結構中包含親水基團和烷烴鏈，因而同時具有“親水”和“親油”的特性而得名。在文獻中常稱作“親水頭”和“疏水尾”。表面活性劑作為一種常用的雙親分子，常用於汙垢洗滌，功能型材料製備和石油開採。在水中，雙親分子可以自組裝成特殊的結構，比如膠束，脂質體和雙分子層。這些結構都有一個共同的特點：親水基團暴露於結構表面，疏水基團隱藏於結構內部。已經有研究致力於表徵這些自組裝結構，並解釋結構的成因。在本章中，我們將首先回顧非受限空間中的球形自組裝結構的理論。這是一種巨集觀情況下常見的情況。因此只需要考慮團簇的吉布斯自由能即可。然而在受限空間中，溶質數目有限，分子進入或離開團簇會對團簇外分子的濃度產生顯著的影響，進而又會影響聚集過程。因此，我們需要發展一套新的理論用以描述受限空間中團簇的自組裝現象。在這個新的理論中，不僅要計算團簇的吉布斯自由能，更重要的是需要考慮團簇外的分子對系統自由能的貢獻。
四、本文研究的主要內容
本文主要研究奈米受限空間對水溶液中溶質關聯行為的影響。我們以典型的雙親分子-戊醇和己醇分子為主要研究物件，採用分子動力學模擬的方法，觀察並分析了它們在奈米受限空間水溶液中表現出的關聯行為。接著我們建立並發展出物理模型，對戊醇分子表現出的各種關聯狀態給予瞭解釋。不僅如此，基於已經觀察到的戊醇分子的動力學關聯狀態和演化過程，我們對文獻中已經廣泛使用的四種雙親分子團簇法則作了比較，並給出了在選擇團簇判據表徵團簇結構及其動力學行為上的一些建議。本論文的工作可以分成七個章節：第一章介紹巨集觀溶液中傳統的溶質關聯狀態，即分散狀態，聚集狀態和過飽和狀態，及其在物理，化學和生物領域中的重要性。由於受限空間的廣泛存在於自然界和技術生產中，我們進一步引出有關受限空間內容的討論，最後引出我們要研究的問題;第二章介紹研究中用到的方法-分子動力學模擬的理論框架及其基本原理;第三章首先介紹在解釋水溶液中雙親分子的聚集，自組裝方面的已有的理論。然後重點介紹我們構建的，針對受限空間水溶液中，雙親分子關聯行為的理論。每一種理論我們都詳細的給出了理論假設的基礎，從中可以明顯看出我們理論和已有理論的不同。特別的，我們詳細列出了理論推導過程;第四章，利用分子動力學模擬的方法，我們分別選擇典型的雙親分子-戊醇和己醇作為溶質，展現了由於受限空間的存在，水溶液中溶質表現出一種新的關聯行為-“自發雙向可逆轉變”。緊接著探索了這種轉變和受限空間大小的關係。最後根據我們發展的理論給出了“自發雙向可逆轉變”這個新現象出現的原因。第五章，我們把我們發展的理論推廣到巨集觀的情況，並以醇類分子為例，研究了不同鏈長的醇類分子的臨界成核數目和成核能壘。第六章，我們比較並評估了文獻中常用的四種雙親分子團簇法則適用性範圍。通過把第四章中發現的戊醇分子表現出的動力學關聯狀態，特別是“自發雙向可逆轉變”作為參照系統，給出了在雙親分子團簇判據選擇上的一些建議。第七章對本文的研究內容作了簡要的總結，並對後續工作作了展望。
五、寫作提綱
摘要7-9
Abstract9-11
第一章引言16-27
1.1研究背景和意義16-23
1.1.1溶質關聯狀態和分類16-17
1.1.2溶質關聯狀態的重要性17-21
1.1.3奈米受限空間導致的新現象21-23
1.2研究目的23-24
1.3研究方法24-26
1.4研究內容概述26-27
第二章分子動力學方法介紹27-43
2.1引言27-28
2.2分子動力學方法介紹28-41
2.2.1什麼是分子動力學方法28
2.2.2分子動力學方法的優缺點28-29
2.2.3分子動力學的流程29
2.2.4力場的描述29-34
成鍵相互作用29-31
非成鍵相互作用31-34
2.2.5蛙跳演算法34
2.2.6控溫演算法34-37
Berendsen控溫方法34-36
Velocity-rescale控溫方法36
Nose-Hoover控溫方法36-37
2.2.7壓力控制方法37-38
Berendsen控壓方法37-38
Parrinello-Rahman控壓方法38
2.2.8色散修正38-41
能量項的修正39-40
位力和壓力修正40-41
2.3水模型41-43
第三章受限空間中的雙親分子的自組裝理論43-53
3.1引言43
3.2非受限空間中團簇的吉布斯自由能43-49
3.2.1經典成核理論43-44
3.2.2Chandler的自組裝團簇理論44-46
3.2.3我們給出的團簇吉布斯自由能46-49
3.3受限空間中雙親分子的吉布斯自由能49-51
3.4受限空間效應的再討論51-53
第四章奈米受限空間中雙親分子溶液的相變53-78
4.1引言53
4.2受限空間戊醇，己醇溶液的分子動力學模擬研究53-65
4.2.1受限空間中戊醇分子的動力學過程53-62
系統介紹53-54
模擬引數設定54-55
團簇識別方法介紹55
不同溶質數目下的溶質關聯現象55-58
聚集態中團簇的結構描述58-60
分散態的性質60-62
溶質的局域濃度分佈60-61
溶質周圍水分子的密度分佈61-62
4.2.2受限空間中己醇分子的動力學過程62
4.2.3受限空間的尺度效應62-65
4.3受限空間戊醇，己醇溶液相變的理論解釋65-78
4.3.1理論與模擬的對接方法介紹65-67
4.3.2戊醇分子理論與模擬的對接67-75
戊醇分子相關引數的確定67-68
戊醇分子理論擬合曲線68-69
不同關聯狀態的自由能圖69-71
理論曲線對於引數的敏感性71-72
理論模型在其它體積下的預測72-75
4.3.3己醇分子理論與模擬的對接75-78
己醇分子相關引數的確定75-76
己醇分子理論擬合曲線76-78
第五章奈米受限雙親分子自組裝理論向巨集觀情況的推廣和驗證78-85
5.1引言78
5.2臨界成核數目和成核能壘78-79
5.3我們的雙親分自組裝理論向巨集觀情況的推廣79-85
5.3.1醇類分子臨界成核數目和成核能壘的預測79-85
醇類分子的相關引數求解79-83
醇類分子臨界成核數目的成核能壘83-85
第六章雙親分子團簇識別方法的比較85-93
6.1引言85-86
6.2四種雙親分子團簇判據的比較86-91
6.2.1模擬方法介紹86
6.2.2結果和討論86-91
6.3四種團簇法則的總結和評估91-93
第七章總結和展望93-97
7.1內容提要93-94
7.2論文結論94-96
7.3工作展望96-97
參考文獻97-107
六、目前已經閱讀的主要文獻
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