力学所提出离子喷射分子模拟新策略

       近日，中国科学院力学研究所微纳米流体力学团队利用分子模拟，探讨了离子液体-真空界面电场诱导离子喷射现象。该工作为选择合适的离子喷射分子模拟策略提供了指导，并为后续研究更复杂的电喷射现象奠定了基础。相关研究成果发表在《流体物理》（Physics of Fluids）上，并入选编辑精选。

离子液体电喷射对纳米制造、空间推进、质谱分析等应用颇为重要。为掌握离子喷射规律，有学者研究了电场诱导的离子液体-真空界面离子喷射现象。尽管在离子喷射理论和实验方面取得了进展，学界对纳米尺度离子喷射的模拟研究相对较少，如何更真实地进行离子喷射分子模拟有待探索。

该团队计算了离子喷射电流密度随液面电场的变化规律，比较了Langevin控温器、耗散粒子动力学（dissipative particle dynamics，DPD）控温器和Berendsen控温器对模拟结果的影响，发现了DPD控温器更适合模拟离子喷射现象。与Langevin和Berendsen控温器相比，DPD控温器并不改变真空中离子的运动速度，不对真空中的离子施加摩擦阻力和随机力，因而更贴合实际应用的情况。

进一步，研究对比了恒电势、恒电荷与恒电场三种施加液面电场的方法，发现了这三种方法得到的电流密度-液面电场曲线基本一致。以往的离子喷射分子模拟使用恒电势方法，而国际上只有少数特定的分子模拟软件可实现恒电势模拟。相比而言，恒电荷与恒电场方法在常用的开源分子模拟软件中可直接使用。研究表明，对于平行电极-平面液膜系统，恒电荷/恒电场方法能够较好地模拟离子喷射现象。

该团队进而分析了真空中的电场随时间的变化规律，发现了由于真空中离子与液相离子液体之间的静电相互作用，真空中的离子会改变液面电场强度。离子喷射电流密度越大，液面电场波动频率越高。基于经典静电学理论，如果施加（不施加）周期性边界条件，喷出离子与离子液体之间的诱导电场与真空中离子的位置无关（有关），因此在电喷射分子模拟中需要考虑周期性边界条件对液面电场和离子喷射的影响。

该成果为液体-真空界面离子喷射的分子模拟研究提供了支撑，并为后续探索纳米尺度更复杂的电喷射现象奠定了基础。研究工作得到中国力学学会青年人才蓄水池项目的支持。

消息来源：中国科学院官网