本發(fā)明涉及低維納米材料建模和原子尺度模擬領(lǐng)域，具體涉及一種超細金剛石納米線(diamond?nanothread)官能團化的建模方法。

背景技術(shù)：

1、低維納米材料，特別是碳納米材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學性能，在微電子、航空航天、土木工程、國防等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。納米線作為一種重要的一維納米材料，一方面是先進納米器件的重要組成單元，另一方面也可以作為添加相極大增強或者調(diào)控傳統(tǒng)材料的性能，例如力學、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。為了進一步提升一維納米材料的性能或者作為添加相發(fā)揮其優(yōu)異性能，官能團化是常用的改性策略。面向納米添加相的應(yīng)用，經(jīng)過官能團化改性的一維納米材料可以有效避免其因為表面效應(yīng)導(dǎo)致的聚集，同時可以強化其與基體材料的界面強度或者降低界面熱阻，從而更好的發(fā)揮納米添加相的性能。

2、目前，研究人員在一維納米材料中引入了多種官能團類型，例如甲基(-ch3)、乙基(-c2h5)、苯基(-c6h5)等。然而，由于實驗過程中，不同一維納米材料的官能團位置隨機、官能團化也存在差異，因此難以從實驗角度開展官能團對一維納米材料性能、以及官能團化一維納米材料對改性材料性能的定量研究。原子尺度模擬從納觀尺度的模型出發(fā)，可以有效彌補該不足，并解析微觀尺度的內(nèi)在機理，而原子尺度模擬的首要挑戰(zhàn)是一維納米材料的可控建模。目前雖有原子尺度模擬工作探討官能團化一維納米材料性能，但不同工作的官能團位點選取通常手動隨機選擇，難以標準化對比和探討官能團的影響。因此，建立標準化的一維納米材料官能團化的可控建模方法十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有的一維碳納米材料官能化的可控建模方法的缺失，本發(fā)明提供一種超細金剛石納米線官能團化的建模方法，具體技術(shù)方案如下：

2、一種超細金剛石納米線官能團化的建模方法，包括如下步驟：

3、s1：建立官能團分子模型，根據(jù)官能團模型的坐標建立旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣以及方位因子的空間坐標變換參數(shù)方程；

4、s2：建立超細金剛石納米線的周期性單胞模型，并將所述單胞模型中的碳原子和氫原子按照順時針編號；

5、s3：基于所述超細金剛石納米線的周期性單胞模型的主坐標方向，預(yù)先設(shè)置金剛石納米線的長度，建立所需長度的超細金剛石納米線模型，并將所述超細金剛石納米線模型的碳、氫原子坐標分別放入兩個數(shù)組中；然后將超細金剛石納米線模型的底面中心變換到坐標系原點，長度方向沿著坐標系的主坐標方向；

6、s4：基于所述超細金剛石納米線模型轉(zhuǎn)換后的碳原子坐標，設(shè)定添加官能團的位點區(qū)域和官能團數(shù)量比例，同時排除不合理的官能團添加位點，最終整合所述超細金剛石納米線模型的所有碳原子坐標和氫原子坐標，得到整體官能團化模型的拓撲信息。

7、進一步地，所述步驟s4包括：

8、s41：根據(jù)模擬需求，選定擬官能團化區(qū)域；將所述擬官能團化區(qū)域的碳氫原子坐標存入可官能團化的區(qū)域碳原子數(shù)組和對應(yīng)的氫原子數(shù)組；

9、s42：根據(jù)官能團化的比例和可官能團化的區(qū)域碳原子總數(shù)，計算擬添加的官能團總數(shù)；

10、s43：控制隨機數(shù)種子，根據(jù)可官能團化的區(qū)域碳原子數(shù)組，獲得一個隨機數(shù)，提取該隨機數(shù)對應(yīng)的碳原子坐標，作為官能化的一個隨機位點；

11、s44：根據(jù)獲得的隨機位點所在象限，基于隨機位點的坐標，計算隨機位點相對于坐標系原點的角度，基于s1的空間坐標變換參數(shù)方程，計算空間坐標變換對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣以及方位因子；

12、s45：基于所述官能團模型的拓撲文件，通過坐標轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣和方位因子，獲得該隨機位點的官能團拓撲信息，存入官能團矩陣，并對該官能團進行編號；

13、s46：根據(jù)隨機位點坐標的序號和超細金剛石納米線的碳原子的序號標記規(guī)律，找出并剔除同一碳環(huán)中的相鄰碳原子以及相鄰碳環(huán)的碳原子，避免官能團的集中；

14、s47：更新可官能團化的區(qū)域碳原子數(shù)組，同時將所剔除的碳原子對應(yīng)的氫原子剔除，更新對應(yīng)的氫原子數(shù)組，返回s43；直到確定可官能團化的所有隨機位點；

15、s5：根據(jù)官能團所有隨機位點的數(shù)組，整合所述超細金剛石納米線模型的碳原子坐標和氫原子坐標，獲得整體官能團化模型的拓撲信息，包括原子的坐標、類型、序號和相應(yīng)的分子序號信息。

16、進一步地，所述s2具體包括如下子步驟：

17、s21：生成超細金剛石納米線的周期性單胞模型，并將所述周期性單胞模型導(dǎo)出坐標文件和晶體信息文件；

18、s22：基于所述周期性單胞模型的坐標文件和晶體信息文件，獲得所述周期性單胞模型的坐標信息和邊界信息，并將所述周期性單胞模型中的碳原子和氫原子按照順時針編號，同時分開存儲于兩個數(shù)組中。

19、本發(fā)明的有益效果如下：

20、本發(fā)明的建模方法通過標準化官能團及其坐標轉(zhuǎn)換、分子建模與官能化可控隨機選取位點、排除集中官能化的高能位點，實現(xiàn)了對金剛石納米線表面官能團的精確定位和控制，有助于開展官能團對一維納米材料性能、以及官能團化一維納米材料對改性材料性能的定量研究，并解析微觀尺度的內(nèi)在機理。

技術(shù)特征：

1.一種超細金剛石納米線官能團化的建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細金剛石納米線官能團化的建模方法，其特征在于，所述步驟s4包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細金剛石納米線官能團化的建模方法，其特征在于，所述s2具體包括如下子步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種超細金剛石納米線官能團化的建模方法，包括：建立官能團分子模型，計算官能團空間坐標變換參數(shù)方程；建立超細金剛石納米線的周期性單胞模型；建立超細金剛石納米線模型，并將其原子坐標變換到原點；在超細金剛石納米線模型上選擇官能團化的區(qū)域，通過隨機數(shù)選定隨機官能團化位點，并排除相鄰的官能團化位點；基于官能團化位點計算坐標轉(zhuǎn)換矩陣，獲得對應(yīng)的官能團分子坐標；整合官能團化的超細金剛石納米線模型拓撲信息。本發(fā)明實現(xiàn)對金剛石納米線表面官能團的精確定位和控制，有助于開展官能團對一維納米材料性能、以及官能團化一維納米材料對改性材料性能的定量研究，并解析微觀尺度的內(nèi)在機理。

技術(shù)研發(fā)人員：王志金,黃華龍,蔣華龍,龐瑩瑩,張建棟,占海飛
受保護的技術(shù)使用者：浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19