本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)、吸附材料開發(fā)以及分子動力學(xué)模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法。

背景技術(shù)：

1、多級孔炭具有由從微孔、中孔到大孔的不同尺寸尺度的相互連接的孔組成的多孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合了不同尺寸孔隙的優(yōu)點，同時提供了大比表面積和低傳質(zhì)阻力。這些特性使其成為各種應(yīng)用的理想選擇，包括吸附、分離、催化、電極制造和儲能等領(lǐng)域，特別在吸附領(lǐng)域具有優(yōu)異的吸附能力和快速去除速率。并且多級孔結(jié)構(gòu)有助于客體分子進入微孔并進行傳質(zhì)，從而增強吸附性能。

2、分子動力學(xué)模擬是一種強大的計算工具，在過去幾十年中越來越受歡迎，相比于實驗方法，分子動力學(xué)模擬能夠提供對微觀結(jié)構(gòu)機制和分子或原子水平的動態(tài)行為的見解，彌補了現(xiàn)有實驗技術(shù)中不能夠從分子水平上描述多級孔炭材料結(jié)構(gòu)特征的不足。最近，分子動力學(xué)模擬已被廣泛用于闡明吸附行為的潛在機制。分子動力學(xué)模擬可以研究客體分子在多級納米孔中的遷移和吸附行為，通過觀察模擬過程中的分子軌跡、吸附動力學(xué)、位點和親和力，以探索多級納米孔的粒內(nèi)擴散-吸附協(xié)同機制，為多級孔炭材料的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的理論支持。

3、基于此，本案由此提出。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，可以應(yīng)用于吸附多種物質(zhì)的模擬體系，并研究其吸附特性，具有較強的靈活性和適應(yīng)性，此外可以快速判斷出吸附劑的吸附效果，單層碳管拼接成的多級孔炭分子量要小于傳統(tǒng)多層炭吸附劑模型，減少了實驗研發(fā)時間，顯著降低了實驗成本，并為多級孔炭材料的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的理論支持。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，包括以下步驟：

4、s10.使用vmd軟件中nanotube?builder模塊構(gòu)建不同孔徑的介孔、微孔碳管模型，再選擇vmd軟件上的selected?atoms模塊在介孔碳管壁上挖出復(fù)合微孔碳管孔徑的微孔孔洞，并將微孔碳管和挖好微孔后的介孔碳管保存為pdb格式；

5、s20.利用packmal工具將微孔碳管和介孔碳管壁上的微孔孔洞拼接得到多級孔炭分子模型，并使用materials?studio軟件對接口進行優(yōu)化，再將多級孔炭分子模型導(dǎo)出為mol2文件，然后將多級孔炭分子模型mol2文件導(dǎo)入sobtop腳本，并生成拓撲文件；

6、s30.設(shè)置分子動力學(xué)模擬參數(shù)文件，并利用materials?studio軟件，把得到多級孔炭分子模型的結(jié)構(gòu)進行幾何優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)文件中添加盒子尺寸，最終得到不同拓撲結(jié)構(gòu)的多級孔炭分子體系模型盒子。

7、進一步的，所述步驟s10包括以下過程：

8、打開vmd軟件中的nanotube?builder模塊，然后在carbon?nanostructure對話框中設(shè)置生成直徑為長度為的微孔碳管，生成直徑為長度為和直徑為長度為的兩種介孔碳管，每種碳管都保存成pdb文件；

9、導(dǎo)入直徑為的介孔碳管，在selected?atoms模塊中，通過vmd軟件范圍選擇語句基本語法選取指定范圍，在selected?atoms模塊中輸入“resname?cnt?and((x-25.03)^2+(z-16.184)^2>9.45^2)”，選擇刪除并保存剩余碳原子，在y軸方向，介孔壁上得到兩個半徑為的微孔孔洞，以此類推得到其他微孔孔洞，將挖好微孔孔洞后的介孔碳管保存成pdb文件。

10、進一步的，所述步驟s20包括以下過程：

11、在已安裝gromacs軟件包和packmol工具的虛擬機中，導(dǎo)入步驟s10中保存的微孔碳管和挖好孔洞的介孔碳管，創(chuàng)立packmol文件，編寫packmol文件，通過packmol文件來定義碳管的擺放規(guī)則，在終端中輸入packmol<packmol.inp運行packmol工具，微孔碳管和介孔碳管便根據(jù)packmol文件定義的擺放規(guī)則排列，并生成多級孔炭分子模型的pdb文件；

12、將多級孔炭分子模型的pdb文件導(dǎo)入materials?studio軟件，使用鍵連工具連接拼接處的碳原子，并且調(diào)整鍵連關(guān)系，將接口優(yōu)化后的多級孔炭分子模型保存為mol2文件；

13、將多級孔炭分子模型mol2文件導(dǎo)入sobtop腳本，依次選擇產(chǎn)生gromacs拓撲文件、手動設(shè)置原子類型、選擇所有原子、設(shè)為ca原子類型、用預(yù)置的力場參數(shù)、產(chǎn)生多級孔炭分子的拓撲文件。

14、進一步的，所述步驟s30包括以下過程：

15、設(shè)置分子動力學(xué)模擬參數(shù)文件，設(shè)置多級孔炭分子模型為周期性分子，在x/y/z方向都用周期性，在結(jié)構(gòu)文件中添加盒子尺寸，得到不同拓撲結(jié)構(gòu)的多級孔炭分子體系模型盒子，由materials?studio軟件將其放在經(jīng)典力場下，對其結(jié)構(gòu)進行幾何優(yōu)化；

16、對多級孔炭分子模型盒子進行動力學(xué)計算，首先為了追求系統(tǒng)收斂并抵消任何顯著的排斥力，能量最小化階段的最速下降算法被配置為最大步長為0.01nm，一旦最大力閾值降至100kcal/mol以下，收斂就被認為已經(jīng)發(fā)生；接著使用berendsen恒壓器結(jié)合v-rescale恒溫器來進行100ps的模擬，使系統(tǒng)能夠弛豫到298k的穩(wěn)定溫度和1bar的恒定壓力，從而消除任何結(jié)構(gòu)不規(guī)則性，達到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)；隨后使用parrinello-rahman恒壓器結(jié)合v-rescale恒溫器，進行15ns的模擬。

17、本發(fā)明的優(yōu)點在于：

18、1、實現(xiàn)了對不同拓撲結(jié)構(gòu)多級孔炭分子模型體系的構(gòu)建，在納米尺度上準確構(gòu)建這些復(fù)雜的多級孔結(jié)構(gòu)，并且能夠從原子層面解析多級孔道的尺寸、形態(tài)及其對吸附物質(zhì)的選擇性和吸附容量的影響；

19、2、本發(fā)明所提出的利用分子動力學(xué)模擬構(gòu)建的多級孔炭分子模型可以更好地展示客體分子在多級納米孔內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)和動態(tài)軌跡行為，一遍進一步揭示其協(xié)同作用機制；

20、3、本發(fā)明方法可以應(yīng)用于吸附多種物質(zhì)的模擬體系，并研究其吸附特性，具有較強的靈活性和適應(yīng)性；

21、4、本發(fā)明方法可以快速判斷出吸附劑的吸附效果，單層碳管拼接成的多級孔炭分子模型分子量要小于傳統(tǒng)多層炭吸附劑模型，減少了實驗研發(fā)時間，顯著降低了實驗成本，并為多級孔炭材料的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的理論支持。

技術(shù)特征：

1.一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，其特征在于，所述步驟s10包括以下過程：

3.如權(quán)利要求1所述的一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，其特征在于，所述步驟s20包括以下過程：

4.如權(quán)利要求1所述的一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，其特征在于，所述步驟s30包括以下過程：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種構(gòu)建多級孔炭分子模型的分子動力學(xué)模擬方法，使用VMD軟件構(gòu)建不同孔徑的介孔、微孔碳管，并在介孔壁上挖出符合微孔碳管孔徑的微孔孔洞，緊接著利用packmal工具將微孔碳管和介孔壁上的微孔孔洞拼接得到多級孔炭分子模型，優(yōu)化后再設(shè)置參數(shù)，并使用Sobtop腳本生成拓撲文件，進行幾何優(yōu)化后，最終得到不同拓撲結(jié)構(gòu)的多級孔炭分子體系模型盒子。實現(xiàn)了對不同拓撲結(jié)構(gòu)多級孔炭分子模型體系的構(gòu)建，在納米尺度上準確構(gòu)建這些復(fù)雜的多級孔結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于吸附多種物質(zhì)的模擬體系，可以快速判斷出吸附劑的吸附效果，減少了實驗研發(fā)時間，顯著降低了實驗成本，并為多級孔炭材料的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的理論支持。

技術(shù)研發(fā)人員：許豪銘,徐立恒,丁濤,魏芳,張明
受保護的技術(shù)使用者：中國計量大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23