聚合物中快速重离子的模拟：在聚乙烯中，沿离子轨迹的损伤过程与能量沉积过程之间存在空间不匹配现象

《Radiation Physics and Chemistry》：Simulation of swift heavy ions in polymers: spatial mismatch between the damaging and energy deposition along the ion trajectory in polyethylene

基于蒙特卡洛模拟与分子动力学耦合方法，研究了高能重离子在聚乙烯中的损伤形成机制，揭示了电子激发与原子动力学耦合导致的损伤峰值与能量沉积峰值分离现象（最小间距12微米），并阐明不同能量/速度离子的阈值效应差异，为优化聚合物器件抗辐照性能提供理论依据。

　　这项研究通过原子级模拟，揭示了在电子停止机制下，快速重离子（SHI）在聚乙烯中形成损伤轨迹的详细过程。通过将蒙特卡洛代码TREKIS-3与反应分子动力学（RMD）相结合，研究者成功地再现了SHI在聚乙烯中造成的损伤形状、尺寸、结构以及化学活性碎片的径向分布。这些模拟结果不仅提供了对SHI轨迹形成的深入理解，还为相关技术应用提供了重要的理论依据。

快速重离子在通过聚乙烯材料时，会通过电子激发将能量沉积在材料中，从而形成长而细的损伤轨迹。这些轨迹的长度与半径之比可以达到100微米/10纳米，这使得SHI成为在纳米和微米尺度上修改材料的独特工具。通过结合蚀刻技术，SHI辐照已被用于制造具有窄孔径分布的微孔膜、纳米结构、电荷粒子检测、水淡化、病毒检测、离子分离、仿生膜等。此外，最近开发的紫外线照射技术使得在不使用化学蚀刻的情况下，制造出有效半径小于1纳米的微孔膜，为离子传感提供了新的可能性。

研究者发现，损伤轨迹的最大值与能量沉积的最大值在空间上存在至少12微米的分离。这种分离现象源于离子能量对电子激发初始谱的影响。由于电子激发谱的变化，低速和高速离子在电子停止机制下形成的损伤轨迹的产生阈值也有所不同。这一发现表明，损伤轨迹的形成不仅与能量沉积有关，还受到离子速度的影响。这种分离现象对于理解聚合物材料在SHI辐照下的行为具有重要意义，尤其是在涉及薄聚合物薄膜的设备和检测器中，必须考虑这种空间差异，以确保其性能的准确性。

在研究过程中，采用了三种不同的材料损伤指标，以全面评估SHI对聚乙烯的影响。与无机材料不同，聚乙烯等有机材料在受到电子能量沉积时，可能会发生链断裂或形成自由基原子。因此，仅依赖密度变化作为损伤指标并不准确。研究者通过结合蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟，成功地追踪了电子激发与原子系统响应之间的耦合过程，从而揭示了损伤形成的动态机制。

通过使用TREKIS-3代码模拟电子激发过程，并结合LAMMPS进行分子动力学模拟，研究者获得了对聚乙烯中损伤轨迹的结构和化学变化的全面认识。这些模拟结果表明，SHI在聚乙烯中造成的损伤不仅限于轨迹的中心区域，还延伸至周围区域，形成一个复杂的损伤结构。这种结构的形成受到电子激发过程和原子系统响应的双重影响，因此需要对这两个过程进行详细的建模和分析。

研究者还发现，损伤在非晶态聚乙烯中的表现具有环状依赖性，这种依赖性与电子能量损失密切相关。在Bragg曲线的左肩和右肩区域，同一离子的损伤产生阈值不同，这表明电子能量损失的分布对损伤形成具有重要影响。这种现象可能不仅限于聚乙烯，而是适用于所有聚合物材料，因此对设计和优化涉及聚合物薄膜的设备和检测器具有广泛的指导意义。

在实验和模拟过程中，研究者对铀（U）和氙（Xe）离子的辐照参数进行了详细分析。铀和氙离子在通过聚乙烯材料时，会留下连续的损伤轨迹，其能量范围分别覆盖了9.4到2318 MeV以及14到19336 MeV。这些参数为模拟提供了重要的输入条件，使得研究者能够准确地再现损伤轨迹的形成过程和其在不同能量下的表现。

此外，研究者还讨论了目前理论模型在描述SHI对材料影响时存在的不足。尽管已经开发出多种模型，但这些模型在描述电子激发与原子系统响应的耦合过程时仍存在局限。例如，热脉冲模型（TS）在描述电子与原子系统之间的相互作用时，通常依赖于电子-声子耦合率这一拟合参数，而无法准确描述速度效应。因此，需要进一步改进模型，以更精确地模拟电子激发过程和原子系统响应。

研究者还提到，近年来发展出的多尺度混合模型在描述SHI对材料的影响方面取得了重要进展。这种模型结合了蒙特卡洛代码TREKIS-3和分子动力学模拟，能够同时处理电子激发和原子系统响应的复杂过程。该模型已被成功应用于多种无机材料，并在聚乙烯中的应用也得到了验证。这种多尺度模型的优势在于能够处理不同空间和时间尺度下的物理过程，从而提供更全面的理解。

在模拟过程中，研究者特别关注了聚乙烯材料的非晶态结构。由于聚乙烯的热导率较低，且在极端激发条件下会发生化学键的断裂和形成，因此需要使用大规模的超单元（约10^5-10^6个原子）进行计算。此外，使用优化的反应力场能够提高模拟的精度和效率。通过逐步改进模型，研究者成功地克服了这些计算挑战，并获得了更准确的模拟结果。

研究者还指出，由于聚乙烯是一种最简单的有机材料，其行为可以作为研究碳链材料对SHI辐照响应的基础。通过分析聚乙烯中的损伤轨迹，研究者能够获得关于SHI对其他聚合物材料影响的普遍规律。这种规律对于设计和优化涉及聚合物薄膜的设备和检测器具有重要意义，尤其是在高能粒子辐照的环境下，必须考虑这些材料的响应特性。

在实验和模拟过程中，研究者还使用了多种技术手段，包括同步辐射小角X射线散射（SAXS）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱。这些技术能够提供关于损伤轨迹结构和化学变化的详细信息。例如，SAXS可以用于研究聚乙烯中损伤轨迹的结构和尺寸，而FTIR光谱则能够揭示化学键的动态变化。这些实验结果与模拟结果相互印证，为研究提供了更全面的视角。

此外，研究者还讨论了SHI对聚合物材料的影响机制。由于SHI的高能量和高速度，其在通过材料时会产生强烈的电子激发，从而影响材料的结构和化学性质。这种影响不仅限于局部区域，还可能扩散至更广的范围，形成复杂的损伤结构。因此，理解这些机制对于优化SHI辐照技术具有重要意义。

总的来说，这项研究通过结合蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟，成功地揭示了SHI在聚乙烯中形成损伤轨迹的详细过程。研究者发现，损伤轨迹的最大值与能量沉积的最大值存在空间上的分离，这种分离现象可能不仅限于聚乙烯，而是适用于所有聚合物材料。这些发现对于设计和优化涉及聚合物薄膜的设备和检测器具有重要的指导意义，尤其是在高能粒子辐照的环境下，必须考虑这些材料的响应特性。

研究者还强调了模拟过程中的关键因素，包括电子激发的初始谱、原子系统响应的动态过程以及材料的热导率和化学键的断裂/形成。这些因素共同决定了SHI在材料中造成的损伤结构和特性。因此，未来的研究需要进一步优化模型，以更精确地描述这些复杂的物理过程，并提高模拟的效率和准确性。

通过这项研究，研究者为SHI辐照技术在聚合物材料中的应用提供了重要的理论支持。这些结果不仅有助于理解SHI对材料的影响机制，还为相关技术的发展提供了新的思路。例如，通过调整SHI的能量和速度，可以控制损伤轨迹的尺寸和形状，从而优化设备和检测器的性能。此外，研究者还指出，未来的研究可以进一步探索SHI对其他聚合物材料的影响，以拓展其在不同领域的应用。

在研究过程中，研究者还提到了一些重要的技术挑战。例如，使用大规模超单元进行分子动力学模拟需要大量的计算资源，这在实际应用中可能是一个限制因素。此外，如何准确描述电子激发与原子系统响应之间的耦合过程，仍然是一个重要的研究方向。因此，未来的模拟工作需要在计算效率和模拟精度之间找到平衡，以更有效地研究SHI对材料的影响。

研究者还指出，随着计算技术的进步，这些多尺度混合模型的应用前景更加广阔。这些模型能够同时处理不同空间和时间尺度下的物理过程，从而提供更全面的理解。此外，随着实验技术的发展，如同步辐射和紫外线照射技术，这些模拟结果可以得到更精确的验证，从而提高模型的可靠性。

通过这项研究，研究者不仅揭示了SHI在聚乙烯中造成的损伤轨迹的结构和特性，还为其他聚合物材料的模拟提供了重要的参考。这些结果表明，SHI对材料的影响不仅取决于能量沉积，还受到离子速度、材料类型和激发条件的影响。因此，未来的研究需要进一步探索这些因素之间的相互作用，以更全面地理解SHI对材料的影响机制。

此外，研究者还提到，这些发现可能对纳米结构制造、离子传感、水淡化等领域产生重要影响。例如，在制造纳米结构时，需要精确控制损伤轨迹的尺寸和形状，以确保纳米结构的性能。在离子传感领域，SHI造成的损伤轨迹可能影响传感器的灵敏度和响应特性。因此，理解这些机制对于优化相关技术具有重要意义。

在总结部分，研究者强调了模拟过程的重要性，并指出未来的研究需要进一步改进模型，以更精确地描述SHI对材料的影响。此外，研究者还提到，这些模拟结果可以为其他领域的研究提供参考，例如材料科学、纳米技术、生物医学等。因此，这项研究不仅具有重要的科学价值，还具有广泛的应用前景。

研究者还提到，这项工作得到了联邦集体使用中心的计算资源支持，这为大规模的分子动力学模拟提供了重要的保障。此外，研究者还对实验结果和模拟结果进行了对比分析，以验证模型的可靠性。这些对比分析表明，模拟结果能够准确地再现实验观察到的损伤轨迹的结构和特性，从而证明了模型的有效性。

最后，研究者指出，这项研究的结果表明，SHI对聚合物材料的影响不仅限于局部区域，还可能影响更广泛的范围。这种影响可能对材料的性能产生重要影响，因此需要在设计和优化相关技术时充分考虑这些因素。通过这项研究，研究者为SHI辐照技术在聚合物材料中的应用提供了重要的理论支持，并为未来的研究指明了方向。