科学通报|冰纳米线拉伸的分子动力学模拟
学术
科学
2024-10-16 16:30
北京
冰是地球表面最丰富的晶体之一，其力学行为与冰川运动、气候变化等自然现象密切相关。实验表明，体相冰(即生活中常见的冰)通常发生脆性断裂，其最大应变仅为0.3%。最近，有研究团队合成了直径在纳米尺度的单晶冰纳米线，发现其弹性应变可达11%，接近理论极限值，展示了优异的力学性能。此外，由于冰纳米线外表光滑、内部均匀无缺陷，导致波导损耗极小，因而在光信号传输和光学传感等领域具有潜在的应用前景。
为进一步指导相关应用探索，南京航空航天大学仇虎团队采用分子动力学模拟方法，从原子尺度对冰纳米线的微观结构、力学性能及其影响因素开展了研究。该成果以“冰纳米线拉伸的分子动力学模拟”为题发表于《科学通报》。本文研究发现，冰纳米线在拉伸过程中首先发生弹性变形(图1)。其中，温度150 K时，冰纳米线的弹性极限和最大弹性应变分别为0.93 GPa和10.32%。当继续增加应变时，冰纳米线发生了脆性断裂。进一步研究了拉伸及断裂过程的氢键结构(图2)。发现，拉伸过程中氢键长度不断增加，氢键角度几乎不变。断裂后，冰纳米线断裂区域和非断裂区域的氢键结构有着明显差异。例如，非断裂区域的氢键角度先减小随后恢复，而断裂区域的氢键角度不断增大，随后保持稳定。这是由于断裂区域冰发生了融化。图1 半径为3 nm的冰纳米线在150 K下的拉伸过程。(a) 不同应变下的冰纳米线结构，(i) 初始结构，(ii)弹性应变最大时的结构，(iii) 拉伸断裂后的结构。(b) 应力应变关系，图中点所示应变状态依次对应图(a)中(i)~(iii)的结构。图2 冰纳米线断裂区域和非断裂区域沿拉伸方向氢键的对比分析。(a) 断裂后的冰纳米线结构。(b) 断裂区域的氢键长度变化。(c) 断裂区域的氢键角度变化。(d) 非断裂区域的氢键长度变化。(e) 非断裂区域的氢键角度变化。此外本文发现，冰纳米线的弹性极限、最大弹性应变、杨氏模量和泊松比等力学性能均随温度的升高而降低(图3)。与体相冰相比，冰纳米线对温度的变化更敏感。这是因为冰纳米线的边缘存在准液体层。随着温度升高，准液体层增加，从而进一步降低了冰纳米线的力学性能。图3 不同温度下冰纳米线的力学性质。(a) 应力应变关系。(b) 弹性极限和最大弹性应变。(c) 杨氏模量。(d) 准液体层占比。此外，研究发现不同取向的冰纳米线具有不同的失效方式，[0001]取向的力学性能最强(图4)。图4 不同取向冰纳米线的结构和力学性质。(a) 应力应变关系。(b) 弹性极限和最大弹性应变。(c) 不同取向冰纳米线断裂后的结构图，右侧为失效区域放大图。综上所述，本文通过分子动力学模拟研究了冰纳米线拉伸过程的微观结构，并探究了温度、应变率和取向对其力学性能的影响。所得结果拓展了对冰纳米线结构和力学行为的认识，对于促进其在光学领域的开发应用具有一定的指导意义。刘同熙, 仇虎*. 冰纳米线拉伸的分子动力学模拟. 科学通报, 2024, 69(26): 3925–3933
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0379
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