超声诱导空化的分子动力学模拟研究：压力与频率对微纳尺度气泡演变的调控机制

本研究通过LAMMPS分子动力学模拟(MDS)结合Voronoi镶嵌分析，揭示了正弦超声力作用下空化过程的微观机制。研究发现空化呈现初始成核和快速生长的两阶段特征，超声压力振幅主导气泡尺寸（最高膨胀13.8倍），而频率超过20 GHz会抑制系统膨胀导致稳态空化。该工作首次在MDS中直接施加超声力场，为跨尺度空化效应研究提供了新范式。

　　

空化现象作为流体动力学中的经典问题，在表面清洁、废水处理等领域应用广泛，但微观尺度成核机制仍存疑。传统实验受限于纳米级气泡的瞬态特性（寿命<100纳秒），而宏观CFD模拟难以捕捉分子级细节。更棘手的是，实际超声设备频率（20-40 kHz）与分子模拟时间尺度（皮秒级）存在10¹²倍差距，如何建立跨尺度关联成为关键挑战。

针对这些瓶颈，中国的研究团队创新性地将Rayleigh-Plesset方程数值解与分子动力学模拟结合，在8×8×9.45 nm³水体系中施加5-20 GHz超声振动。通过TIP4P/2005水模型和铜壁EAM势函数，采用Voronoi镶嵌法量化空穴体积，首次实现了从宏观参数到微观模拟的精准映射。

关键技术包括：1）通过MATLAB求解气泡动力学方程建立跨尺度关联；2）LAMMPS模拟中采用周期性边界与收缩包裹边界混合条件；3）SHAKE算法固定水分子几何结构；4）Voronoi多面体体积统计区分气/液相分子。

空化演变分析
系统在首个超声周期（200 ps）即出现温度跃升（400→1000 K），后续周期呈现规律性空化-坍塌。Voronoi分析显示气泡体积概率密度函数在55 ?³和200 ?³处存在特征拐点，对应不同相态分子分布。

超声压力影响
压力从300 bar增至2000 bar时，最大气泡体积扩大6倍，但空化时间恒定为超声周期的1/4。高压导致中央区大空穴（>200 ?³）占比从1.85%升至15.48%，而边界区小空核（<55 ?³）先增后减，反映瞬态空化转变。

频率效应
20 GHz高频振动使系统Z向伸长受限，气泡体积分布从矩形（2 GHz）退化为三角形。气相分子含量在10 GHz时达峰值70.96%，而20 GHz时骤降至3.34%，且气泡半径无法达到最大值的30%临界点，证实稳态空化转变。

该研究突破性地揭示了压力振幅与频率的协同调控机制：压力决定空化强度（如1.3 bar宏观条件对应1200 bar微观模拟），而频率控制空化模式转变。发现20 GHz高频导致的"不完全坍塌"现象，为解释超声清洗中频率选择提供了分子依据。通过建立跨尺度模拟方法，该工作为声化学（Sonochemistry）、药物传递等领域的参数优化奠定了理论基础。