气体水合物的点阵动力学研究
关于作为晶体的气体水合物以及半导体笼型化合物的类似于玻璃的低热导率，目前被大多数专家学者认可的解释是它是由主体晶格的声学声子支与具有相同对称性的笼中客体的扰动局域模的抗交叉带来的共振效应所引发的低能主客体声子耦合造成的。该解释在本文中得到了支持和补充。本文给出了第一型，第二型气体水合物冰晶格氢原子位置的求解算法，该算法为计算机模拟的实现提供了完整的晶格结构坐标。接下来使用点阵动力学对气体水合物展开了模拟研究，并将计算结果与非弹性中子散射的试验结果进行了对比。TIP4P的氧原子壳层极化模型和Lennard-Jones势能函数被证明可以有效的描述气体水合物低频动力学特征。对氙水合物与甲烷水合物进行的点阵动力学计算成功的再生成了位于声学区的实验谱的每个特征位置，同时也产生出了正确的相对峰值强度。在此基础之上，通过对不同客体填充率的水合物振动谱的计算与比对，确定了第一型水合物中客体分子/原子振动特征峰的分配，发现第一型气体水合物大笼中客体分子/原子的振动将会在振动谱声学段的低能区域产生两个较尖锐的特征，而小笼中的客体振动在振动谱中的特征则主要集中在声学段的高能部分。与此同时甲烷水合物实验谱中的宽阔的肩型谱线得到了解释，认为它产生于主体晶格的振动耦合于客体振动之上的特征谱线与客体的振动特征谱线的交叠。之前在氙水合物实验谱中位于6meV附近的不确定特征被分配给了与小笼有着强烈耦合作用非简谐客体振动模式。此外，在有抗交叉效应存在的声子散射图谱中提出了谱线的蓝移。经进一步研究发现，该蓝移可作为主客体振动耦合作用的特征现象，也正是该耦合作用解释了气体水合物异常热导率。比较相同实验条件下测得的不同气体水合物振动谱，可发现它们的“指纹”位置存在明显差异，暗示不同气体水合物中大不相同的主客体耦合强度将会导致谱线蓝移的大小差别明显。该模拟结果提供的关于主体，客体振动激发的数量，能量位置，强度及局域性特征等一系列有价值的信息，使得研究者在对实验结果中特征信息的认识基础之上，对气体水合物的结构及动力学特性得以有更深入的理解。
晶格动力学;气体水合物;声子振动态密度;主客体振动耦合
中国海洋大学
硕士
凝聚态物理
董顺乐
2007
中文
TQ013;TK121
49
2007-08-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）