利用分子动力学模拟研究物质表面的纳米结构与性质对水结冰机制的影响

Ice nucleation is a common phenomenon in nature. Understanding the heterogeneous nucleation mechanism and controlling the water freezing process are important for many different areas, ranging from human living to climate change and environmental protection. Ice-water phase transition has long been a hot research topic, but due to the complexity of the nucleation mechanism, the effects of various properties of different surfaces on nucleation have not yet been fully explained. We will use molecular dynamics simulation to study the heterogeneous nucleation process of water molecules on surfaces with different nanostructures and properties. We mainly study how the nanostructures of surfaces influence the growth process of ice embryo. We will clarify how the molecular scale properties and the nanostructures of surfaces together determine the nucleation rate and nucleation mechanism. The proposal can not only further explain the heterogeneous nucleation mechanism of water molecules in theory, but also can provide basis for designing of new anti-icing materials.

水结冰是自然界中的常见现象，理解结冰机制，进而控制结冰过程对人类的生活生产、气候变化、环境保护等都有重要意义。冰水相变长期以来都是热点研究课题，但由于冰水相变机制的复杂性，物质表面的各种性质对结冰的影响至今仍未能完全解释。本项目拟采用分子动力学模拟研究物质表面的水分子异相成核过程，主要着眼于表面纳米尺度上的结构与性质对冰胚形成之后的生长过程的影响，最终将阐明物质表面的分子尺度的性质和纳米尺度的性质如何共同决定表面的成核速率和结冰机制。本项目的实施不仅可以在理论上进一步澄清水分子的异相成核机制，还可以为制造新型防结冰材料提供依据。

自然界中结冰通常是异相成核过程，大多发生在有物质的表面上。关于水分子异相成核的过程和机理，研究人员已经做了大量的实验和模拟研究，但依然未能完全解释其微观机制。分子动力学模拟能够提供纳秒级别的时间分辨率和分子级别的空间分辨率，是研究水结冰过程的有力工具。本项目主要使用分子动力学模拟研究了水的异相成核问题。我们研究了水在亲疏水位点掺杂排列的表面、有限尺寸表面、粗糙表面、部分受限空间中、离子液体中，等环境中的结冰过程。我们发现表面的整体平均性质并不能很好的指示其结冰能力，临界冰核尺寸（纳米级别）内的性质对结冰过程有决定作用。粗糙表面通过破坏表面水的类冰结构而抑制了结冰能力。但当表面凹陷或者沟槽的尺寸能与临界冰核尺寸相比拟时，表面水受到的受限作用有可能会使表面促进结冰。不同离子对抑制冰晶的生长具有特异性，比如氟离子会在冰水界面聚集从而降低冰的生长速度并调控冰晶形貌。发现某些小分子，如香豆素分子，可以在冰面自发聚集并自组装成有序结构，从而也会对冰的生长和重结晶过程有重要影响。我们提出了一种可以快速准确的计算临界核尺寸以及临界温度的方法，该方法可以提供稳定的临界冰核，可以研究临界状态下的冰核性质。此外，我们也发展了轨迹映射算法，用于高效便捷的分析分子动力学模拟数据。本项目的实施有利于我们更深入的理解水的异相成核机制，也为防结冰材料的制备提供了支持。