赵璨, 孙广凯, 雷博程, 张丽丽, 孙昭艳, 朱有亮

高等学校化学学报 2024, 45 (12): 20240388-. DOI:10.7503/cjcu20240388

摘要（208）

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超软相互作用的粒子堆砌体系能够表现出微相分离、重入熔融和单结构相变等复杂的相行为. 近年来, 超软球体系的各种性质引起了研究人员的关注, 但对这类物质结晶行为的研究仍面临困难. 本文利用分子动力学模拟方法探索了超软球体系中聚集体的静态结构和扩散行为. 研究发现, 单分散性的超软球体系会形成簇晶, 具有分散性的超软球体系聚集态结构发生了显著转变; 多分散性会降低结晶性, 在高分散度下体系中形成簇玻璃结构. 通过观测多分散体系的扩散行为发现, 体系在低温下无长程扩散现象, 而在高温下出现明显的扩散现象.

真实体系中粒子的尺寸总是分布在一定范围内，分散程度不均一. 研究表明，二分散的广义赫兹势超软球体系的簇晶结构会随着分散性指数的改变而改变，较高的分散性指数甚至会导致体系形成簇玻璃结构［21］. 本文在GEM-4超软球体系中引入了高斯型的尺寸多分散指数（体系中粒子的直径x服从高斯分布），研究多分散性对簇晶结构形成和组成产生的影响. 图4为GEM-4超软球体系在分散性指数p=0， 0.01， 0.03， 0.05， 0.07和0.10等几种情况下的径向分布函数图. 可以看出，在分散性指数较低时（p=0~0.05）的径向分布函数有几个明显的特征峰，并且第1个峰较尖锐，这是因为在这几种分散程度下体系发生了结晶行为；而在分散性指数较高（p=0.07~0.10）时，径向分布函数近程的特征峰变得平缓直至消失，并且图像在长程中几乎平行于x轴，表明此时体系已经进入簇玻璃相，呈现无序状态. 由径向分布函数图可基本确定簇晶相与簇玻璃相边界会在分散性指数p=0.05时出现.

统计了这11组平行样本在分散性指数0~0.10之间各个晶型的比例变化以及体系结晶度的变化. 由图6可以看出，在分散性指数为0~0.05之间时，体系的总体结晶度并未发生明显变化；而在分散性指数为0.05~0.06之间时，体系的结晶度急速下降，直到总结晶度为0（图中黑色折线变化图线）. 从整体结晶度曲线也可以看出，在分散性指数为0~0.05之间的低分散区，出现了FCC和HCP晶型占优势向BCC晶型占优势的转变，主要的转变点在分散性指数为0.05时. 在晶型转变过程中体系会经历一段过渡区，即在分散性指数为0.05~0.06之间出现晶型比例误差变化较大的现象. 随着分散性指数的升高，体系的结晶度下降，晶体结构由晶相向无序相过渡，直到变为完全无序状态. 结合图4结果发现，当分散性指数从低到高变化时，径向分布函数的峰由尖锐变为平滑，在体系从结晶向无序转变的过程中，特征峰的平滑程度更明显，这些结果表明分散程度对于超软球体系结晶性质的影响十分显著.