44、非均匀流体中平面气 - 液界面的模拟研究

非均匀流体中平面气 - 液界面的模拟研究

在模拟包含气 - 液、液 - 液或固 - 液界面的系统时，我们往往对表面性质本身，如表面张力、界面区域的结构以及任何润湿/干燥或分层转变等方面感兴趣。不过，非均匀系统的模拟需要特别注意系统的准备和平衡测试，同时在定义待平均的物理量时也可能存在一些陷阱。长程力的处理尤其具有挑战性，即使是简单的 Lennard - Jones 系统，其共存性质也会随所选的对势截断值而显著变化。接下来，我们将详细探讨平面气 - 液界面模拟的相关内容。

1. 起始构型

在模拟 Lennard - Jones 流体的平面气 - 液界面时，可以在基于平板几何的三维周期系统中进行蒙特卡罗（MC）或分子动力学（MD）模拟。

• 低温情况（接近三相点） ：可以从使用正常立方周期边界条件对本体液体的模拟开始准备系统。选择略高于所需共存液体密度、处于所需共存温度的状态。待液体达到平衡后，将中心盒子与其周期性图像分离，并在 z 方向上通过在相对的两个面上添加若干空盒子来扩展系统，这些空盒子与原盒子尺寸相同。这个扩展后的系统在整个空间中周期性重复，从而在 xy 平面上形成被真空包围的液体平板。例如，对于 Lennard - Jones 势，详细研究表明，表面张力 γ 对盒子尺寸 Lx、Ly 较小时会出现显著的伪影（特别是振荡），但对于尺寸为 11σ × 11σ × 60σ 的盒子，γ 会达到一个极限值。这提示我们可以在原盒子的每一侧包围两个空盒子，创建一个尺寸为 {L, L, 5L}（L ≈ 11σ）的扩展系统，对应接近液体三相点的约 1100 个 Lennard - Jones 原子。
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