纳米尺度干冰颗粒碰撞融合的分子动力学机制及其在CO2管道安全工程中的应用

这篇研究采用分子动力学模拟(MD)揭示了干冰颗粒碰撞融合的三种机制：低速(vp=100 m/s)下的分子力粘附、中速(200-600 m/s)的界面熔融-再结晶驱动融合，以及高速(≥700 m/s)的完全熔融抑制再结晶现象。研究为CO2管道泄漏中干冰沉积堵塞问题提供了分子层面的理论支撑。

　　

Highlight

初始构型

在5 nm边长的模拟盒中随机填充2,457个CO₂分子，真空条件下通过NPT系综（60 K, 0.1 MPa）平衡2 ns形成稳定固态结构。采用Nose-Hoover热浴/压浴调控温度压力，通过切割平衡后晶体获得球形干冰纳米颗粒。

碰撞结果

图4展示了4 nm干冰颗粒在不同初速度(vp)下的碰撞演化：低速(100 m/s)呈现无相变粘附碰撞，中速(200-600 m/s)表现为部分相变碰撞（界面熔融-再结晶主导），高速(≥700 m/s)则引发完全相变碰撞（熔融态分子耗散抑制再结晶）。

结论

研究系统揭示了干冰纳米颗粒(40 ?)的三类碰撞机制：无相变粘附、部分相变（200-600 m/s区间再结晶驱动）和完全相变碰撞（≥700 m/s）。前两种模式通过分子粘附/再结晶实现融合，而高速碰撞导致无序聚集。研究为优化CO₂管道安全提供了分子尺度理论依据。