非點電荷離子模型的靜電相互作用的理論與模擬

《非點電荷離子模型的靜電相互作用的理論與模擬》是依託深圳大學，由李武擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非點電荷離子模型的靜電相互作用的理論與模擬
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李武
• 依託單位：深圳大學

項目摘要

軟物質體系靜電學研究的一個重要方向是加入關聯效應來改進標準泊松玻爾茲曼方程（PBE）的平均場描述。在弱耦合極限下，關聯效應可以作為修正項；而在強耦合極限下，PBE失去了預測能力。另一個重要方向是保留平均場描述，而著重於離子結構的細節。PBE中離子用點電荷描述。然而點電荷在一些情況下是非物理的，如將距離為零的異性電荷拉開需要無限大的力。此外，點電荷不能夠描述所有感興趣的軟物質體系，例如離子特異性。離子的這些特性不能夠用簡單的修正項來表示。如同強耦合極限下的關聯效應一樣，這導致了一些反常現象，如電荷反轉和同性帶電錶面相吸。目前還沒有能夠準確描述離子結構的模型，且對離子結構與這些反常現象之間關係的理解仍不充分。本項目將解決與此相關的一些問題。首先平均場描述研究簡單的體系。然後提出創新方案來處理硬球勢和靜電勢的混合模型。最後汲取新發展的用於聚合物的場論模擬方法來處理蒙特卡羅模擬中極化率的計算問題。

結題摘要

本項目研究基於軟物質和生命體系最基礎的相互作用來源—靜電相互作用。我們提出了一種適用非均質流體的無規相近似（RPA）的密度泛函框架，並稱之為廣義RPA (GRPA)。 GRPA構成了對平均場的校正，它對於稠密流體（在大量粒子重疊的情況下更準確）而言更加準確。可以處理長程庫侖勢和短程非靜電相互作用的混合體系。我們首次找到鞍點周圍輔助磁場的諧波波動與RPA的密度函式公式之間的聯繫， 證明GRPA與基於場論框架處理電荷粒子的變分高斯近似完全一致。考慮可穿透球體系統隨著相互作用的增加轉變為剛性球系統，我們進一步將RPA套用於可穿透球體系統，以更深入地研究RPA相對於強和弱耦合極限的不足和限制。通過研究對稱相互作用下的單相和兩相流體系統，發現雖然RPA是一種非微擾模型，但並不適合強耦合區間。RPA在平均場層面引入修正，但並沒有擴大平均場適用的範圍。我們還研究在塗抹電荷過度禁止的電荷表面雙層結構，並通過觀察Kirkwood交叉探索雙層結構與電解質體性質的聯繫。我們發現正如Kirkwood線將體溶液劃分為單調衰減和振盪衰減的流體,它類似地將電荷反轉分為兩個主要區域，包含和不包含振盪電荷密度分布。因最初的振盪如同遠場現象，最終發展為成熟的分層電荷密度。總之本項目發展了新的模型方法，並通過對不同離子結構的研究為像電荷反轉和帶同種電荷的表面間吸引相互作用這樣的反常現象提供了新的見解。