溶液体系介电常数的计算机模拟研究
近年来随着微波技术的快速发展，材料的介电特性引起了人们的广泛关注。其中，介电常数作为电介质材料介电特性的重要特性，表示介质在外加电磁场的作用下电介质极化行为，表征材料储存电荷和损耗的能力。在溶液体系中，介电常数可以效地反映溶液的溶解度和渗透性，描述溶液介质环境的极性。随着实验技术的发展，介电弛豫光谱法具有倾入性小、检测迅速等优点，可以有效探测分子材料的内部结构，进而揭示材料的动力学行为。但实验上测定介电常数往往需要精密的仪器、经典的介电弛豫理论模型以及复杂的数据拟合。此外，实验室研究无法重现实际工况中的复杂条件，也难以忽略外界环境等干扰因素。随着计算机技术的不断发展，计算机模拟介电常数成为研究电解质材料的电磁学性质的关键技术之一，该技术能将实验测定频率拓展至太赫兹区域，有助于研究学者们观察介质材料在电场、温度场等作用下的电荷极化运动，从微观层面上理解电介质结构与电极化规律的联系。此外，通过计算机模拟方法测定介电常数的频率范围可以拓展至太赫兹区域，具有高空间分辨率的优点。然而，由于分子模拟过程中存在周期性边界的影响，离子偶极矩定义模糊，导致传统的偶极矩涨落方法在计算熔融盐晶体或溶液中含有自由电荷的体系的介电常数时存在一定阻碍。故本论文通过计算机分子动力学模拟方法研究含有自由电荷的溶液体系的介电特性。基于统计力学原理和电动力学理论将介电常数的表达式分解为分子偶极矩和自由电流的各组分贡献，有效规避了分子模拟过程中存在周期性边界条件的影响，在微观层面上探讨了体系分子结构变化与介电特性的关系。 主要研究内容如下: 在第2章中，基于统计力学原理和经典电动力学理论方法，考虑了不同组分体系中分子偶极矩平动和离子自由电流转动的贡献对介电常数的贡献，得到了溶液体系中介电常数随频率变化的表达式。 在第3章中，通过全原子动力学(AllAtomMolecularDynamics,AAMD)模拟研究了十二烷基硫酸钠(Sodiumdodecylsulfate,SDS)在水溶液中的微观相变过程的介电常数变化机理。研究结果表明，随着表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时，表面活性剂发生微观相变为球状胶束或棒状胶束时，静态介电常数可以作为判断胶束结构变化的有效手段。介电弛豫谱的结果表明，在太赫兹频率范围内，分子偶极矩贡献远大于离子电流贡献，水分子偶极矩起主要贡献。 在第4章中，通过AAMD模拟研究SDS在NaCl盐溶液环境下微观相变过程的介电常数变化机理，探究溶液中各组分的介电贡献。研究结果表明，随着溶液中NaCl浓度不断增大，SDS的静态介电常数不断减小，并且介电常数随胶束结构变化衰减程度逐渐降低。此外，探究溶液体系内各不同组分贡献随着浓度变化和胶束结构存在一定关系。 在第5章中，将上述计算介电常数计算方法应用拓展至熔融盐氯化钠体系，研究了固态氯化钠晶体融化相变的分子动力学过程，并进一步分析了频率相关介电谱随温度变化的规律，并对该方法计算材料介电常数的准确性进行了验证。不同介电弛豫谱表明了不同氯化钠相态的介电特性，此外外加电场法的结果有效证明了该理论公式的正确性。 综上所述，本论文针对体系内含有自由电荷的表面活性剂溶液体系和熔融盐体系中计算介电常数复杂问题进行深入讨论，以计算机分子动力学模拟为主要研究手段，基于经典介电理论方法，聚焦体系浓度或温度变化，研究相变过程中介尺度结构变化的介电特性转变。本工作为研究带电溶液或熔融盐晶体的介电特性研究提供了一种新的策略，并表明静态介电常数可以有效作为判断体系微观结构和热力学性质转变的有效手段，为实验上研究材料特性和性能预测提供了有价值的参考。
表面活性剂;熔融盐;介电常数;分子动力学;计算机模拟
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
张现仁
2023
中文
TQ423
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）