粒子物理博士論文開題報告
粒子物理研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構、性質等。本文將介紹粒子物理博士論文開題報告。
粒子物理博士論文開題報告：
一、選題背景
在宏觀水溶液中，溶質在水中一般體現(xiàn)為分散狀態(tài)，聚集狀態(tài)或過飽和狀態(tài)。分散狀態(tài)通常指溶質均勻分布在溶液中，即溶質之間的關聯(lián)性較小;如果考察溶質的局域濃度或局域密度分布，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(xiàn)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(xiàn)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(tài)通常指溶質通過一定的相互作用，如氫鍵，范德瓦爾斯相互作用，庫倫靜電相互作用或者π π相互作用堆積在一起，形成比較穩(wěn)定的，具有一定堆積結構的聚集體。原子之間的關聯(lián)性較強。典型而又常見的例子是空氣中的小液滴。這里水分子通過氫鍵相互作用形成比較穩(wěn)定水分子團簇;一些非極性的分子，如氮氣，在水中常常依靠范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(lián)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，并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(huán)結構，就使得π π堆積成為可能。過飽和狀態(tài)是溶質體現(xiàn)出的一種亞穩(wěn)的臨界現(xiàn)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(jīng)超過該溫度，壓力下溶質的溶解度，而溶質仍然不析出的現(xiàn)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(chuàng)造出一個新的界面。由于相互作用和界面能之間的競爭，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(tǒng)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(fā)的出現(xiàn)新的相。這樣的過飽和溶液是亞穩(wěn)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(wěn)定相向更穩(wěn)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(lián)狀態(tài)：分散狀態(tài)，聚集裝態(tài)和過飽和狀態(tài)，它們涉及到我們生活中的方方面面，也直接關系到生產(chǎn)制造，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，小到納米顆粒，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(fā)揮著重要的作用。受限空間廣泛存在于自然界中，細胞中蛋白質的大分子間，礦物中，土壤中的縫隙，人工納米器械中的孔洞等。由于受限空間的存在，原子可以自由活動的區(qū)域就受到了限制，也因此會產(chǎn)生許多新奇的現(xiàn)象。比如甲醇和水的不完全溶解現(xiàn)象，碳納米管中的超快水流，碳納米管的開關效應，界面的反常潤濕行為。因此，我們提出的問題是：在受限空間中，溶質的關聯(lián) 為會受到影響嗎?相比于宏觀情況，在受限空間 溶液中，是否會體現(xiàn)出不同?溶質的關聯(lián)狀態(tài)和很多因素有關，比如物質本身的屬性，界面的性質等。在目前的研究中，我并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(lián)狀態(tài)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，每個粒子的初始坐標和速度的前提下，根據(jù)牛頓定律求解方程，獲得之后每一時刻，每一個粒子的坐標和速度。系統(tǒng)達到平衡時，如果把不同時刻的數(shù)據(jù)視為許多樣本，通過樣本平均后，即可以得到對于體系的統(tǒng)計描述。這種方法依賴于計算機的計算能力，硬盤和內存容量。和實驗相比，成本低，能在較短時間內獲取大量樣本�？梢栽趲讉�納米的尺度內獲得原子的定量描述。對于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(tǒng)，也可以是大量粒子的多體系統(tǒng)。和蒙特卡洛方法相比，計算量大，占用存儲多。分子動力學基于牛頓力學，這對于大多數(shù)量子效應不明顯的系統(tǒng)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(fā)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。對于這些情況，分子動力學不能給出好的描述。電子是處在基態(tài)的�；诓ǘ�-奧本海默的近似，分子動力學中的勢能僅僅依賴于原子核的坐標。也就是說，當原子核的坐標發(fā)生改變時，電子可以很快的調整分布，以使得系統(tǒng)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。在這里只能考慮平均的效應。邊界條件可能會引入非物理的內容。周期性邊界條件保證了粒子數(shù)守恒，但這樣做并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(lián)。
自組裝是指在無外場條件下，依靠物質間的相互作用，自發(fā)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范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于自然界和生產(chǎn)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，常用于污垢洗滌，功能型材料制備和石油開采。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：親水基團暴露于結構表面，疏水基團隱藏于結構內部。已經(jīng)有研究致力于表征這些自組裝結構，并解釋結構的成因。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。這是一種宏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(shù)目有限，分子進入或離開團簇會對團簇外分子的濃度產(chǎn)生顯著的影響，進而又會影響聚集過程。因此，我們需要發(fā)展一套新的理論用以描述受限空間中團簇的自組裝現(xiàn)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(tǒng)自由能的貢獻。
四、本文研究的主要內容及研究框架
(一)本文研究的主要內容
本文主要研究納米受限空間對水溶液中溶質關聯(lián)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對象，采用分子動力學模擬的方法，觀察并分析了它們在納米受限空間水溶液中表現(xiàn)出的關聯(lián)行為。接著我們建立并發(fā)展出物理模型，對戊醇分子表現(xiàn)出的各種關聯(lián)狀態(tài)給予了解釋。不僅如此，基于已經(jīng)觀察到的戊醇分子的動力學關聯(lián)狀態(tài)和演化過程，我們對文獻中已經(jīng)廣泛使用的四種雙親分子團簇法則作了比較，并給出了在選擇團簇判據(jù)表征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(jié)：第一章介紹宏觀溶液中傳統(tǒng)的溶質關聯(lián)狀態(tài)，即分散狀態(tài)，聚集狀態(tài)和過飽和狀態(tài)，及其在物理，化學和生物領域中的重要性。由于受限空間的廣泛存在于自然界和技術生產(chǎn)中，我們進一步引出有關受限空間內容的討論，最后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。然后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(lián)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(xiàn)了由于受限空間的存在，水溶液中溶質表現(xiàn)出一種新的關聯(lián)行為-“自發(fā)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系。最后根據(jù)我們發(fā)展的理論給出了“自發(fā)雙向可逆轉變”這個新現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。第五章，我們把我們發(fā)展的理論推廣到宏觀的情況，并以醇類分子為例，研究了不同鏈長的醇類分子的臨界成核數(shù)目和成核能壘。第六章，我們比較并評估了文獻中常用的四種雙親分子團簇法則適用性范圍。通過把第四章中發(fā)現(xiàn)的戊醇分子表現(xiàn)出的動力學關聯(lián)狀態(tài)，特別是“自發(fā)雙向可逆轉變”作為參照系統(tǒng)，給出了在雙親分子團簇判據(jù)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，并對后續(xù)工作作了展望。
(二)本文研究框架
本文研究框架可簡單表示為：
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