MoS?纳米管限制下氢无序冰的熔化过程：一种关于双重限制几何结构的分子动力学研究

《Surface Science》：Elevated Melting of Hydrogen-Disordered Ice Confined by MoS 2 Nanotubes: A Molecular Dynamics Study of Dual Confinement Geometries

本研究通过分子动力学模拟，探讨MoS?纳米管对冰相行为的影响，发现缺陷引入的冰在纳米管间隙中的熔点温度上升约30K，且分子相互作用主导熔化行为，为纳米热材料设计提供新思路。

　　

Peyman Koohsari|Muhammad Shadman|Jamal Davoodi|Zohreh Ahadi|Chérif F. Matta

伊朗赞詹大学理学院化学系。

摘要

尽管基于碳的纳米材料在水 confined（此处“constrained”根据上下文可能有不同含义，可能指“限制”或“约束”，但通常译为“限制”更合适）方面的研究已经非常广泛，然而关于二硫化钼（MoS?）纳米管对冰的相行为的影响却知之甚少。通过分子动力学（MD）模拟，本研究揭示了MoS?纳米管由于其独特的半极性亲水表面，在纳米限制条件下显著影响六方冰的稳定性和熔化过程。我们研究了两种不同的限制模式：（1）在纳米管内部；（2）在纳米管之间的间隙中，分别针对氢有序冰结构和引入缺陷的冰结构。观察到在纳米管之间限制的引入缺陷的冰的熔化温度上升了约30 K。这种效应在类似的碳纳米结构中并不存在，这突显了引入缺陷的冰和表面相互作用的关键作用。此外，我们系统地评估了纳米管直径和加热速率的影响，发现熔化行为更多地受到分子层面相互作用的影响，而不仅仅是几何限制的作用。这些结果展示了MoS?作为可调相变控制平台的新潜力，对冷冻保存、能量存储、制药以及纳米结构热材料的设计具有广泛的意义。

章节摘录

引言

纳米尺度的材料表现出与其大块材料截然不同的行为，这主要是由于高表面积与体积比导致的表面和边缘效应[1]。纳米限制能够精细调节物理性质[2]，从而在生物学、能量存储和材料科学等领域取得突破[3][4][5]。虽然基于碳的纳米结构中限制的水和冰的相行为已经得到了广泛研究，但

模拟细节

所有模拟均使用LAMMPS分子动力学模拟软件进行。材料生成使用了GenIce[35,36]算法。GenIce是一种用Python 3编写的高效算法，用于生成含有缺陷的冰结构。在GenIce中，氢原子以无序的方式占据O–O键的位置，但仍遵循冰的规则，即每个氧原子周围恰好有两个氢原子，每个氢原子只与一个氧原子键合。

结果与讨论

为了模拟熔化等动态过程并准确观察结构变化，使用分子动力学方法更为合适，因为该方法能够更精确地模拟分子行为，正如Karim等人的研究[44]所证明的那样。本文考虑了两种限制模式对熔化温度的影响：一种是水填充纳米管之间的间隙，而纳米管内部为空；另一种是水同时填充纳米管内部和间隙。

结论

本研究表明，MoS?纳米管可以作为一个之前被忽视的调节受限六方冰相行为的平台。通过分子动力学模拟发现，纳米管内部和纳米管之间的双重限制几何结构以及引入缺陷的组合会导致熔化行为的显著变化。值得注意的是，在纳米管之间限制的氢无序冰的熔化温度上升了约30 K，这一发现具有重要意义。

作者声明

所有作者都对研究的构思与设计、模拟的执行、数据的分析与解释以及手稿的撰写做出了实质性贡献。

Muhammad Shadman是本文的首席/资深作者——他提出了研究方向并领导了整个研究过程。Peyman Koohsari和Muhammad Shadman设计了分子动力学模拟。Jamal Davoodi参与了理论框架的构建和数据解释。Zohreh Ahadi提供了协助。

作者贡献声明

Peyman Koohsari: 写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，监督，软件使用，资源管理，方法论，研究设计，资金获取，正式分析，概念构思。Muhammad Shadman: 写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据解释。Jamal Davoodi: 。Zohreh Ahadi: 。Chérif F. Matta: 写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，研究设计，资金获取，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。