表面吸附模擬的案例
在 COMSOL 中模擬表面吸附
使用自定義的化學反應方程來描述吸附的另一個原因是競爭性吸附的情況，在這種情況下，兩種或多種被吸附物質(zhì)會共享相同的吸附點。這種現(xiàn)象是催化劑中毒的常見原因：由于另一種分子具有較強吸附力，催化劑無法吸附預期的物質(zhì)，這可能導致反應所需的催化劑永久失活。
涉及吸附的模型示例
在 COMSOL Multiphysics “案例庫”中，您可以找到一系列演示不同類型吸附建模的教學模型。
液相色譜法
高效液相色譜（HPLC）系統(tǒng)使用一維模型建模，其中模擬的尺寸代表色譜柱中流動相的流動長度。這里，由兩種不同組分的 Langmuir 平衡常數(shù)表示的不同吸附平衡導致不同程度的停留時間。由于溶劑的穩(wěn)定流動與不同的吸附速率的共同作用，導致不同的吸附組分在空間和時間上分離。
這里，結(jié)合使用多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞接口與吸附子節(jié)點來表示平衡吸附過程。
高效液相色譜實驗中檢測到的濃度隨時間的變化。組分 1 具有較高的吸附能力，因此存留時間更長。
蛋白質(zhì)吸附
在離子交換柱中，蛋白質(zhì)吸附在柱表面，并置換離子，如前一篇關(guān)于蛋白質(zhì)吸附過程的博客文章所述。化學接口可用于描述多種相互作用蛋白質(zhì)的更復雜的反應機制，該接口可與稀物質(zhì)傳遞接口（用于在溶液中遷移的物質(zhì)）和表面反應接口 （用于被吸附物質(zhì)）相耦合。
離子交換柱中的蛋白質(zhì)吸附。
傳遞和吸附
在本例中，我們使用稀物質(zhì)傳遞接口描述溶液中物質(zhì)的擴散和對流。同時，化學物質(zhì)也會吸附在特定邊界上的活性中心上。在該邊界上，我們使用一般形式邊界偏微分方程來表達用戶定義的表面覆蓋方程。如上所述，該動力學方程基于吸附和解吸速率的 Langmuir 近似，但不假設(shè)反應達到平衡。因此，Langmuir 等溫吸附本身不一定成立。而吸附和解吸通量則需要動態(tài)考慮。
下圖顯示了溶解的吸附物在活性表面的流動如何使吸附的表面濃度隨著時間的推移而逐漸增加。
展開 基于MS的Forcite模塊模擬氫在鎢表面的物理吸附
目的：介紹Forcite在生成分子在表面的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的使用。
模塊：Forcite
背景：
在Materials Studio中Forcite是一個經(jīng)典分子力學工具，由Accelrys科學家和軟件工程師設(shè)計，可以執(zhí)行一系列任務，包括對單分子或周期性系統(tǒng)的快速能量計算和幾何優(yōu)化。它提供了使用不同力場的方法，很適合初學者使用，它也為有經(jīng)驗的用戶提供了廣泛的自定義選項。
介紹：
詳細了解表面相互作用和反應，在許多材料的設(shè)計和加工中起著關(guān)鍵的作用， 在這種研究中重要的第一步是分子物理吸附到表面的優(yōu)化幾何模型(即能量最小化)的準備。在建模方法中涉及的步驟是從純晶體表面構(gòu)造表面、分子向表面的添加、研究氣－固相互作用勢能的定義(即力場)、然后是幾何優(yōu)化計算。
本教程的目的是解釋在研究氣體在表面的物理吸附中涉及的不同步驟，在本教程中的系統(tǒng)是一個受到氫吸附到鎢表面的研究的啟發(fā)而產(chǎn)生的例子。在本例中，可以見到分子力學的使用，它可以作為更昂貴的量子力學計算方法的先驅(qū)，一旦結(jié)構(gòu)已經(jīng)用Forcite進行了優(yōu)化，就可以使用DMol3或者CASTEP來研究化學吸附反應。
1. 從純晶體建立金屬表面
(1) 劈開W(100)表面
第一步是載入想要劈開的的晶體結(jié)構(gòu)，在本例中，將使用純鎢(W)。
從菜單欄選擇File | Import，定位到structures/metals/pure-metals并選擇W.msi。
鎢的晶體結(jié)構(gòu)顯示在一個叫W.xsd的3D Atomistic文件中，現(xiàn)在打開Cleave Surface對話框。
從菜單欄選擇Build | Surfaces | Cleave Surface。
顯示Cleave Surface 對話框，如圖8－1所示。
在晶胞上顯示藍色的虛線，指出你正在劈開的晶面。
展開 利用MS的CASTEP模塊模擬Pd(110)表面CO分子的吸附
在本教程中將檢驗CO分子在Pd(110)晶面的吸附，Pd表面在多種催化反應中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。理解分子如何與這樣的表面相互作用是理解催化反應的第一步。在本例中，密度泛函理論(DFT)模擬能促進這一理解，可以解決以下問題：分子吸附在何處？多少分子會吸附在表面上？什么是吸附能？吸附結(jié)構(gòu)如何？吸附機制是什么？
我們將關(guān)注一個吸附位－短橋位，因為它是已知的能量優(yōu)先位置。覆蓋率也是固定的(1ML)。在1ML的覆蓋率下，CO 分子會彼此排斥，這會防止CO分子準確地垂直于表面。通過考慮(1x1)和(2x1)表面原胞，可以計算能量分布，進而得到化學吸附能。
圖1 Pd晶胞和Pd(110)晶面頂視圖
(110)劈開用藍色高亮顯示。a0是體晶格常數(shù)，也被稱為晶格參數(shù)。
介紹：
在本教程中，將使用CASTEP優(yōu)化并計算幾個不同系統(tǒng)的總能量。一旦確定了這些能量，將能夠計算CO在Pd(110)晶面上的化學吸附能。
1. 準備項目
本教程包括五個不同的計算。為了使項目容易管理，應該一開始就在項目中建立五個子文目錄。
在Project Explorer中根目錄圖標上右擊，選擇New | Folder。重復該操作四次。在New Folder上右擊，選擇Rename，輸入Pd bulk。對其他文件夾重復這一操作，并將它們分別命名為Pd(110)、CO molecule、(1x1) CO on Pd(110)和(2x1) CO on Pd(110)。
2. 優(yōu)化Pd晶格
Pd的晶體結(jié)構(gòu)包含在Materials Studio提供的結(jié)構(gòu)庫中。
在Project Explorer中，右擊Pd bulk目錄，并選擇Import...，定位到Struc-
tures/metals/pure-metals，輸入Pd.msi。
展開 基于MS的forcite模塊模擬水分子在云母表面吸附行為
Forcite Plus 是一款分子力學和分子動力學模擬程序。它可以對分子、表面或三維周期性材料體系進行快速的能量計算、幾何優(yōu)化以及各種熱力學條件下的動力學模擬研究，可以分析材料體系的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱力學性質(zhì)、力學性質(zhì)、動力學性質(zhì)以及統(tǒng)計學性質(zhì)。主要應用于有機、無機小分子、有機金屬絡合物、 高分子聚合物、納米及多孔材料、部分金屬、金屬氧化物晶體及晶體表界面結(jié)構(gòu)的研究。
Forcite Plus的主要功能
能量計算 吸附熱，表面能等結(jié)構(gòu)優(yōu)化 優(yōu)化原子坐標和晶胞參數(shù)，支持原子笛卡爾坐標和晶胞參數(shù)的限定，可以添加外應力（等靜壓）模擬淬火 將動力學模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，輔助掃描勢能面，尋找最優(yōu)的分子構(gòu)象、吸附構(gòu)象等 。
模擬退火 基于不同溫度點的動力學模擬，實現(xiàn)體系的反復升、降溫過程，輔助掃描勢能面，尋找最優(yōu)的分子構(gòu)象、吸附構(gòu)象等
水分子與云母（mica_2d）建模優(yōu)化過程
首先在晶體庫中導入云母分子并且利用Amorphous Cell模塊建立密度為1g/cm3的水分子晶格常數(shù)和云母分子設(shè)為一致，以便之后進行接合建模。
展開 
利用MS模擬天然氣（甲烷）在多孔介質(zhì)中的吸附
點擊 Run 按鈕，模擬正式進行，關(guān)閉對話框。
吸附模擬完成，生成以下文件：
?*** -Calculation：模擬設(shè)置細節(jié)，在***.xsd文件激活時完全為設(shè)置的狀態(tài)；?***.txt：模擬文件，文件中前面的Fixed pressure calculation parameters、Energy parameters、Metropolis Monte Carlo method parameters、Fixed pressure calculation為設(shè)置的參數(shù)等信息；Loading為加載的分子，一般使用Average loading，可進行吸附量換算；Isosteric heats為吸附熱；
?*** Etotal.xcd：模擬過程中的總能量變化圖；?*** Loading.xcd：顯示瞬時載荷和平均載荷(每單位元胞內(nèi)的分子數(shù))；?***.xsd：帶有場分布的骨架圖；?Status.txt：模擬過程中顯示初始設(shè)置和初始信息，計算結(jié)束后顯示“Sorption calculation complete”?*** Energy.xcd：顯示計算得到的能量分布圖；?*** Low energy.std：顯示一系列最低能量的構(gòu)型，可選取最后幾張圖來進行后續(xù)計算分析；?*** Snapshots.std：顯示計算過程中的快照。當設(shè)置了足夠的 MC 步數(shù)時，上述每一個曲線圖均會收斂于某一個最終值。注意：Status.txt，*** Energy.xcd，*** Etotal.xcd，*** Loading.xcd 和***.xsd 等臨時文件僅與模擬時間有關(guān)。當模擬結(jié)束后，他們可被忽略。輸出文 ***.txt，***.std包括了吸附模擬的最終結(jié)果。吸附模擬分析：1、吸附熱吸附熱：可以準確表示吸附現(xiàn)象的物理或者化學本質(zhì)以及吸附劑的活性，吸附能力的強弱。
展開 fluent模擬樣煤塊瓦斯吸附解吸
一個小型封閉空間中放入固定大小的樣煤，充瓦斯使樣煤達瓦斯吸附平衡狀態(tài)。 初始 恒溫恒壓，到卸壓，完成樣煤瓦斯的解吸，收集測量。 怎樣來進行瓦斯吸附解吸過程的模擬？ 望看到帖子的指點一二。提前謝謝了
基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內(nèi)低溫吸附結(jié)構(gòu)對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
結(jié)構(gòu)內(nèi)存在阻擋壁面結(jié)構(gòu)、吸附面結(jié)構(gòu)、包含一入口。吸附壁面溫度為4.5K，吸附系數(shù)為0.7，其他壁面結(jié)構(gòu)的壁面溫度為80K。在入口受到3mPa的抽吸壓力下，計算得到腔體內(nèi)的數(shù)密度分布云圖，如圖2所示。腔體內(nèi)顆粒粒子追蹤He氣體分子的運動，如圖3所示。由圖可知，最終在吸附壁面上吸附了一定數(shù)量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數(shù)密度分布
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
超逼真的表面張力模擬！ （轉(zhuǎn)載）
由北京大學陳寶權(quán)教授研究團隊與北京電影學院未來影像高精尖創(chuàng)新中心、達特茅斯學院、德克薩斯農(nóng)工大學合作，提出全新的模擬框架處理帶表面張力的流固強耦合， 能夠精確模擬各種與表面張力相關(guān)的物理過程。本文入選了 SIGGRAPH 2021論文 Trailer（精選預告片），將在計算機動漫節(jié) Computer Animation Festival (CAF) 上播放，并在 SIGGRAPH 主頁推薦。
1 簡介
樹葉落在水面上泛起陣陣漣漪，密度比水大的回形針卻能漂浮在水面上，這些現(xiàn)象的背后有一個共同原因——表面張力。現(xiàn)有的物理模擬技術(shù)能夠單獨模擬流體和固體，但是想要在屏幕上重現(xiàn)表面張力的作用時，我們需要搭建一個全新的模擬框架。
在這篇文章中，我們使用顯式三角網(wǎng)格表示流體表面的薄層，并在薄層中建立表面張力模型，然后采用統(tǒng)一的模擬框架將流體、流體表面層和固體三者耦合起來，實現(xiàn)表面張力驅(qū)動的流固耦合模擬。在這個框架下，我們可以模擬一些之前不能實現(xiàn)的表面張力效果：密度大于水的物體漂浮在水面上，水面上的物體相互吸引（甜麥圈效應），以及表面張力不足以支撐物體后的水面破碎效果。
2 表面張力
表面張力原理圖，來自wikipedia
表面張力指的是流體表面會盡可能收縮的趨勢。微觀原理上是因為流體表面的分子密度比流體內(nèi)部的分子密度更為稀疏，因而表面分子之間的平均距離更大，所以分子間的相互作用表現(xiàn)為一種吸引力。從宏觀上來講，我們可以定義一個表面張力勢能：
其中 是流體表面的面積， 稱為表面張力系數(shù)。當流體與固體發(fā)生作用時，流體表面的分子同時會受到固體分子的作用，從而將表面張力作用在固體上。固體根據(jù)表面特性不同可以分為親水和疏水兩類，疏水材質(zhì)在水面上會受到向上的表面張力作用，對于一些細小的結(jié)構(gòu)來說這個力要比浮力更為明顯。
展開 [NEWSLETTER] 多層超表面空間板的模擬
我們將介紹多層超表面空間板的模擬（由 O. Reshef 等人在他們的論文“An optic to replace space and its application towards ultra-thin imaging systems.”, Nat. Commun.12, 3512 [2021]中提出的）：一個平面部件，能夠復制比部件實際物理厚度更長的自由空間傳播步長的響應。
光學建模和設(shè)計軟件 VirtualLab Fusion 在單一軟件平臺上提供了豐富的可互操作建模技術(shù)，使我們能夠為空間板的多層結(jié)構(gòu)選擇嚴格的S矩陣算法，并將其與其他方法（如自由空間傳播或任何其他元件的方法）相結(jié)合，在精度和速度之間取得完美平衡，完成整個系統(tǒng)的仿真。
利用多層超表面制作空間板模型
分層超材料（"空間板"）用于模仿自由空間中比元件實際厚度長得多的傳播，同時保持原始光學系統(tǒng)的成像特性。
分層介質(zhì)元件
本用例介紹了分層介質(zhì)元件，并概述了其選項、設(shè)置和電磁場求解器。
展開 如何模擬粗糙表面的光學特性
它們與光滑表面和周期性變化表面的結(jié)果明顯不同。請注意，入射角的掃描在偏離法線 85° 時終止。當然，對于運行的每個不同的隨機幾何案例，這些圖看起來會略有不同。
法向入射到粗糙玻璃表面的透射率、反射率和吸收率。
在入射角不超過 85° 的情況下，波長為 550nm 光的透射率、反射率和吸收率。
關(guān)于計算粗糙表面的光學特性的總結(jié)性思考
在這篇文章中，我們介紹了一種適合于計算粗糙表面的光傳輸和反射的建模方法。這種方法與均勻光學平面的建模方法以及周期性變化表面的建模方法形成對比。粗糙表面的建模方法也可用于具有很長周期的周期性結(jié)構(gòu)的建模，例如當不考慮散射到不同的衍射階數(shù)時。
對真正的隨機表面進行建模確實需要小心一些，因為需要改變幾何形狀以確保它是周期性的。另外，所研究的域的大小和不同的隨機幾何形狀的數(shù)量必須足夠大，以得到有統(tǒng)計意義的結(jié)果。這需要解決同一模型的許多不同變化，并對結(jié)果進行后處理，因此在我們的建模工作流程中使用了 App 開發(fā)器、LiveLink? for MATLAB ? 或 LiveLink? for Excel?。
本文來自： COMSOL 博客
展開 多層超表面空間板的模擬
我們將介紹多層超表面空間板的模擬（由 O. Reshef 等人在他們的論文“An optic to replace space and its application towards ultra-thin imaging systems.”, Nat. Commun.12, 3512 [2021]中提出的）：一個平面部件，能夠復制比部件實際物理厚度更長的自由空間傳播步長的響應。
光學建模和設(shè)計軟件 VirtualLab Fusion 在單一軟件平臺上提供了豐富的可互操作建模技術(shù)，使我們能夠為空間板的多層結(jié)構(gòu)選擇嚴格的S矩陣算法，并將其與其他方法（如自由空間傳播或任何其他元件的方法）相結(jié)合，在精度和速度之間取得完美平衡，完成整個系統(tǒng)的仿真。
利用多層超表面制作空間板模型
分層超材料（"空間板"）用于模仿自由空間中比元件實際厚度長得多的傳播，同時保持原始光學系統(tǒng)的成像特性。
分層介質(zhì)元件
本用例介紹了分層介質(zhì)元件，并概述了其選項、設(shè)置和電磁場求解器。
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磨削表面形貌模擬
程序為MATLAB編寫，價格問題請私信。微信：-Dr-Hou
Ansys Zemax | 如何模擬部分反射和散射的表面
這篇文章介紹了如何模擬一個部分反射的表面，該表面會根據(jù)指定的散射分布對一部分入射光能量進行散射。本文介紹的示例包含部分吸收以及部分鏡面反射的情況。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
簡介
OpticStudio為用戶提供了通過使用鍍膜數(shù)據(jù)使他們的系統(tǒng)盡可能逼真的能力。在非序列模式下，鍍膜可以添加到任何物體表面，并進行編輯，使表面具有所需的反射和透射特性。特別地，部分反射(或選擇性透射)表面可以被模擬成只將一小部分入射能量以特定的分布方式散射。
本文的示例可以闡述了如何使用朗伯散射和理想膜層來產(chǎn)生所需的效果。
從附件開始，我們將創(chuàng)建和使用一個理想的鍍膜，以利用適當?shù)耐繉?#x2F;散射屬性，創(chuàng)建一個部分反射表面。
建立系統(tǒng)
假設(shè)我們需要模擬一個表面為部分反射（60%反射）的矩形體 (Rectangle Volume) 物體，并且其中80%的反射光會根據(jù)朗伯 (Lambertian) 分布發(fā)生散射。剩下的20%將發(fā)生鏡面反射。通過使用三個非序列物體，本文的示例可以闡述了如何使用朗伯散射和理想膜層來產(chǎn)生所需的效果。
我們無需從零開始建立模型，請打開附件中的示例文件。在該文件中，一個單光線光源 (Source Ray) 物體發(fā)出的光線入射到矩形體的表面，其中矩形體的材料類型為MIRROR。從光源發(fā)出的光線完美的返回到光源并被探測器平面接收。在當前系統(tǒng)中，矩形體的表面沒有定義任何膜層或散射屬性。
通過不考慮偏振的蒙特卡洛光線追跡，單根光線照明了探測器最中間的像素并且該像素接收到的功率為1W。
建立理想膜層
有關(guān)在OpticStudio中定義和使用膜層的詳細信息，請查看幫助系統(tǒng)中的“Defining coatings in OpticStudio”一節(jié)。
展開 案例43-接觸表面磨損模擬
案例43-接觸表面磨損模擬
該示例問題模擬接觸表面的磨損。磨損發(fā)生在扁平環(huán)和在其上旋轉(zhuǎn)的半球形環(huán)之間的界面處。所證明的磨損特性包括磨損引起的材料去除、磨損引起的接觸壓力和面積變化以及穩(wěn)態(tài)條件下磨損率的持續(xù)降低。
突出顯示了以下特性和功能：
? 接觸面磨損
? 基于磨損準則的非線性網(wǎng)格自適應
? 用戶自定義的磨損
介紹
磨損是指固體表面與另一物體接觸時材料的逐漸損失。該程序通過在接觸表面重新定位接觸節(jié)點來近似這種材料損失。新的節(jié)點位置由磨損模型確定，該模型基于接觸結(jié)果計算接觸節(jié)點移動多少以及沿什么方向移動以模擬磨損。
本示例演示了如何使用Archard Wear模型，并演示了用戶定義的建模磨損（userwear）子程序。
由于磨損涉及材料去除，接觸元件下面的固體單元的單元質(zhì)量隨著磨損的增加而逐漸變差。需要重新研磨，以成功模擬大量磨損。此示例演示了當模型經(jīng)歷大量磨損時，如何使用手動重新分區(qū)或非線性網(wǎng)格自適應來提高網(wǎng)格質(zhì)量。
問題描述
半徑為30 mm的銅半球形環(huán)在內(nèi)半徑為50 mm、外半徑為150 mm的鋼扁環(huán)上旋轉(zhuǎn)。半球形環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸中心的平環(huán)接觸（100 mm處）。
半球形環(huán)承受4000 N/mm2的壓力載荷，并且以100000轉(zhuǎn)/秒的頻率旋轉(zhuǎn)。半球形環(huán)在平環(huán)上滑動會導致環(huán)磨損。
建模
表示兩個環(huán)的二維軸對稱模型被劃分網(wǎng)格并加載，如圖所示。
環(huán)用二維軸對稱平面182單元（KEYOP（3）=1）劃分網(wǎng)格。通過用接觸單元（CONTA172）和目標單元（TARGE169）覆蓋表面，在兩個環(huán)之間建立無摩擦接觸模型。
創(chuàng)建了該模型的兩個版本，一個具有不對稱接觸，另一個具有對稱接觸。
展開 分子動力學模擬-礦物表面潤濕性
關(guān)鍵詞：頁巖油，分子動力學，lammps，gromacs，界面張力，最小混相壓力
摘要：分子模擬方法在探究納米尺度下分子間相互作用方面展現(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢。因此，本文采用分子動力學模擬方法，研究礦物表面潤濕性。
通過我這套LAMMPS, GROMACS代碼，你可以實現(xiàn)不同氛圍氣體，不同溫度下的潤濕性-接觸角計算。這套代碼還可以把氣體換成油，水中加入表面活性劑，助溶劑，離子等，進行研究。
MS，LAMMPS，GROMACS均可以實現(xiàn)，這里介紹LAMMPS，GROAMCS流程。
1，初始模型構(gòu)建：初始模型是氣-水-壁面模型，使用PACKMOL構(gòu)建，使用lammps也可以用lammps建模
2，選擇力場：CO2可用TRAPPE，EPM2力場，H2O用SPC/E力場，油用OPLS-AA力場，黏土礦物用clayff力場
3，進行分子動力學模擬：能量最小化-平衡動力學-生產(chǎn)動力學
4，統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可分析密度分布，擴散系數(shù)，相互作用力參數(shù)等
5，提供LAMMPS in文件，data文件; GROMACS：mdp，top，inp，pdb，gro，xtx等文件
首先設(shè)置一個初始尺寸較大的模擬盒子，如圖1所示。
體系設(shè)置為NVT系綜，可以設(shè)置多個溫度，觀察溫度的影響。壓力由氣體數(shù)量決定。麻煩點可以在體系上面加一個板子，用NEMD壓板子。這個體系8ns就穩(wěn)定了。
圖2是 6ns的穩(wěn)定構(gòu)象。
圖3 是接觸角的二維密度分布。
圖4 是密度分布，還可分析相互作用能
圖5 顯示了親水礦物可能不存在接觸角
圖6-圖7 是溫度-壓力對接觸角的影響。
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