化学反应动力学中的研究进展

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微机械动力学研究进展

作者：王亚明 张敬洋

来源：《世界家苑》2018年第03期

摘 要：作为纳米科技的一个分支，微机械和分子器件的研究工作受到普遍关注。如何针对纳机电系统（NEMS）器件建立科学适用的力学模型，成为解决纳米尺度动力学问题的瓶颈。微机械是极其重要的一类NEMS器件，分为天然的与人工的两类。人工分子机械是通过对原子的人为操纵，合成、制造出具有能量转化机制或运动传递机制的纳米级生物机械装置。

关键词：微型；机械；动力学；进展；

目前已经成功研制出多种微机械，如分子马达、分子齿轮、分子轴承等。但在实现微机械工程化与规模化的过程中，由于受理论研究水平的制约，微机械的研究工作受到进一步的制约。

一、国内外研究现状

（一）力学模型

通过引入键长伸缩能、键角弯曲能、键的二面角扭转能以及非键作用能等，形成机械的势能面，使系统总势能最小的构象即为分子机械的稳定构象。采用分子力学和分子动力学等方法，对分子机械的动态构象与运动规律进行计算。从理论上讲，该模型可以获得分子机械每个时刻精确的动力学性能，但计算工作量十分庞大，特别是当原子数目较大时，其计算工作量是无法承受的。第二类模型为连续介质力学模型。该模型将分子机械视为桁架结构，原子为桁架的节点，化学键为连接节点的杆件，然后采用结构力学中的有限元方法进行动力学分析。该模型虽然克服了第一类模型计算量庞大的缺陷，但无法描述各原子中电子的运动状态，故没有考虑分子机械的光、电驱动效应和量子力学特性，所以利用此模型难以对分子机械实施运动控制研究。

近年来，有学者提出将量子力学中的波函数、结构力学中的能量函数以及机构学中的运动副等理论结合，建立分子机械动力学分析的体铰群模型。在该模型中，将分子机械中的驱动光子、电子、离子等直接作用的原子以及直接构成运动副的原子称为体，联接体的力场称为铰，具有确切构象的体铰组合称为群。

第３７卷第２期　２０１３年３月　大气科学　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．２　Ｍａｔ．２０１３　

高守亭，刘璐，李娜．２０１３．近几年中尺度动力学研究进展［Ｊ】．大气科学，３７（２）：３１９－３３０，ｄｏｉ：１０．３８７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—９８９５．２０１２．１２３０４．Ｇａｏ　Ｓｈｏｕｔｉｎｇ，Ｌｉｕ　Ｌｕ，Ｌｉ　Ｎａ．２０１３．Ｍａｊｏｒ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｅｓｏｓｃａｌｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ），３７　（２）：３１９－３３０．　

近几年中尺度动力学研究进展　

高守亭　刘璐　李娜　２　

１中国科学院大气物理研究所，北京１０００２９　２中国科学院大学，北京１０００４９　

摘要近几年，中尺度气象由于在逐日天气预报中的重要作用和在气象灾害预报中的显著贡献，已经成为一个　热门的研究课题。中尺度气象研究并预测中尺度天气系统的发生发展及其引发的灾害性天气，如暴雨、冰雹、龙　卷风等。本文主要总结了２００７年以来我国在中尺度研究中取得的显著性成果。主要包括：波动、涡旋、锋面、稳　定性、Ｑ矢量和不变量。在波动方面包括重力波的形成和传播的研究，包含旋转Ｒｏｓｓｂｙ波、混合低频旋转Ｒｏｓｓｂｙ　波和高频惯性重力波在内的台风波动以及考虑水汽作用的中尺度波作用守恒。涡旋部分主要介绍了青藏高原低涡　（ＴＰＶ）和热带气旋内部的涡旋问题。除了涡旋之外，锋面在中国也是一个关键系统。在锋面方面的进展有：梅　雨锋中的　中尺度双雨带机制的产生和维持的实验性研究，以及基于广义位温的锋生函数的提出，这些成果使　得对锋生过程的描述更接近于实际大气状况。在不稳定问题上，主要介绍了采用Ｅｎｅｒｇｙ．Ｃａｓｉｍｉｒ方法建立的拟能　量波作用方程和基本气流具有线性和非线性切变时的横波扰动的不稳定。关于Ｑ矢量，介绍了从地转Ｑ矢量，　半地转Ｑ矢量到非地转Ｑ矢量，非地转湿Ｑ矢量的发展，以及由湿地转Ｑ矢量和垂直风切变耦合得到的新型散　度方程。最后，讨论了有关质点的两个不变量位温和位涡的相关研究新进展。　关键词　中尺度波动　中尺度涡旋Ｑ矢量不变量　文章编号１００６－９８９５（２０１３）０２－０３１９＿１２　中图分类号Ｐ４０１　文献识别码Ａ　

2016年第35卷第4期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS

·1007·化 工 进 展

异丁烷-丁烯固体酸烷基化反应动力学研究进展

刘晓宇，周祥，郭锦标，王鑫磊，付翁

（中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，北京100083）

摘要：探究了固体酸烷基化反应机理和转化规律，对其进行动力学研究具有重要的理论和现实意义。概述了固

体酸烷基化反应体系具有代表性的动力学研究成果，总结了不同尺度动力学模型的建立规则和对改善催化剂失

活所提供的建议，指出建立固体酸烷基化分子水平机理层面动力学模型，对本征动力学性质进行描述，反映动

力学参数与原料性质、操作变量、催化剂之间存在的内在联系，可以更好地为新型催化剂研发、反应器设计和

工艺流程优化提供理论支持。

关键词：烷基化；固体酸；动力学；催化剂失活；机理层面动力学模型

中图分类号：TE 624.4 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）04–1007–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.006 Advances in the research development of isobutane/butene solid

acid-catalyzed alkylation kinetics

LIU Xiaoyu，ZHOU Xiang，GUO Jinbiao，WANG Xinlei，FU Weng

（Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC，Beijing 100083，China）

Abstract：Kinetic analysis for understanding the reaction mechanism and hydrocarbon transformations

rules has both theoretical and practical significance. The typical development and main research

化学反应理论的发展史与最新研究进展

化学反应是化学的重要概念之一，同时也是化学家们努力探索的方向。通过对反应的探究，我们可以了解物质性质的变化以及解决实际问题。化学反应理论的发展经历了漫长的历史，而如今，化学家们仍在不断地探索和研究。本文将讲述化学反应理论的发展史以及最新的研究进展。

一、化学反应理论的发展史

最早对化学反应进行探究的是古人们，他们通过实验发现，一些物质在接触后会发生变化。而到了公元前4世纪时，亚里士多德将化学反应提升到了一个新的高度。他首先提出了“物质不灭，而只是变形”的观点。这一理论成为了化学反应的基石，为后来科学家们的探究打下了基础。

在随后的几个世纪中，化学反应理论一直在不断地发展和完善。到了18世纪，拉瓦锡提出了“质量守恒定律”，即在一个封闭的系统中，反应前后，物质的总质量不变。这一定律对于物质的研究非常重要。在19世纪，恩斯特·理查德·瓦格纳提出了物质反应的速率与温度、浓度等因素有关的“作用质量法则”。这个法则成为了化学反应动力学理论的基础。随后，物理学家们通过对反应机理的研究，提出了各种反应动力学模型和反应机理，为理论研究提供了更多的工具和思路。

总的来说，化学反应理论在不断发展的历程中，逐渐形成了完整的理论框架，并为化学实验的设计和预测提供了支持。而如今，随着科技的进步，化学反应理论正在不断地拓宽新的领域，带来了更多的创新思路和科学发现。

二、化学反应理论的最新研究进展

目前，化学反应理论的研究方向非常广泛。其中，反应动力学是一个重要的研究领域。反应动力学旨在深入研究反应速率与反应物浓度、温度等外部因素的关系，并探究反应机理。该领域的研究成果，对于优化生产工艺、制定环境政策以及预测与预防危险事件等方面具有重要意义。

近年来，随着新技术的不断涌现，化学反应领域也迎来了新的发展。例如，云计算技术和大数据的应用，使得化学家们能够更轻松地查找和分析反应数据，增强科学家们的预测与模拟能力。同时，化学反应中的一些过程，如催化剂的使用，也是一个新的研究热点。研究人员正在深入探究催化剂的反应机理，并通过精细的设计来提高催化效率，促进高效、低成本的反应进行。