碳酸饮料在人们休闲的时候被广泛饮用,其背后存在许多有趣的物理学,化学及生物学过程,但是许多现象在分子水平尚不明朗,如健力士(Guinness)啤酒中气泡下沉,beer tapping现象等。气体在溶液中的扩散行为作为一个重要的物理过程影响着这些现象。但是通过实验确定气体在溶液中的扩散系数是一件非常困难的工作,这是因为气体在溶液中的扩散非常缓慢且难以准确的追踪溶解气体的位置。通过实验手段测得的数值往往存在较大的不确定性,因而计算气体在溶液中的扩散系数需要采取更加可靠的手段,如分子动力学模拟。与先前的研究不同,他们专注于香槟酒,重点考虑了温度因素对二氧化碳分子扩散的影响,而在本文中,我们专注于比较二氧化碳在各种碳酸饮料(包括香槟酒、可乐和苏打水)中的扩散行为,重点考察不同溶质(包括乙醇、蔗糖和碳酸氢钠)对二氧化碳分子扩散的影响。我们利用TIP5P水分子模型运行分子动力学模拟并计算二氧化碳在各种碳酸饮料中的扩散系数。首先,我们通过范霍夫自相关函数确定各碳酸饮料中的二氧化碳分子的位移服从高斯分布,因而其扩散系数可由广义的菲克定律计算所得。随后通过分析溶液氢键网络的组成,发现二氧化碳几乎不直接与添加的溶质分子形成氢键,但它们破坏了原有的水分子间的氢键网络,即水与水之间的氢键被破坏,而溶质分子与水分子形成新的氢键。因此我们认为,各种碳酸饮料中加入的添加物不是通过直接的方式影响二氧化碳的扩散,而是通过影响溶液中水的结构与动力学行为,进而影响着溶液的黏度,以间接的方式影响着二氧化碳的扩散以及饮料中气泡的大小与稳定性等。我们通过计算水的四面体序参数及重定向相关函数发现,三种添加剂对水的结构与动力学性质的影响表现出明显的特异性,乙醇是双亲分子,羟基可以和水形成氢键,而疏水部分与水主要是范德华相互作用,糖带有多个羟基,会明显增加氢键的数量及形成氢键的概率,而碳酸氢根离子不仅可以直接与水分子形成氢键,而且由于其带有一个单位的负电荷,因而大大地加强了氢键网络的强度。在本文中,我们的计算结果不仅与实验值吻合地非常好,而且从分子层面对不同溶质分子对二氧化碳扩散行为的影响进行解释。此外,此项研究不仅对研究碳酸饮料新的配方具有指导意义,且对于研究气体与溶液的相互作用(如:天然气水合物的形成与存储,火山爆发的成因等)都具有非常重要的意义。