一種利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，所述方法包括如下步驟：步驟一、構(gòu)建水環(huán)境中納米物質(zhì)界面的幾何模型，并賦予其物理意義；步驟二、采用能量最小化方法對模型進行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加真實；步驟三、參考實驗研究，在與真實環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進行分子動力學(xué)模擬，得到各原子的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件；步驟四、通過模擬所得到的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件，研究納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的動力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。本發(fā)明在分子原子水平上從納米污染物聚集界面相互作用的角度去定量分析納米污染物在水環(huán)境中的潛在污染效應(yīng)，為水環(huán)境生態(tài)安全性保障和納米科技可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
【專利說明】一種利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，尤其涉及一種利用LAMMPS和VMD及OVITO軟件研究納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米科技的發(fā)展，大量納米材料會直接或間接進入水環(huán)境系統(tǒng)，由于納米污染物具有特異理化性質(zhì)(小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng))，為了確保納米技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展的有利工具而非環(huán)境的負(fù)擔(dān)，研究納米材料在水環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化及歸趨對控制納米物質(zhì)污染具有重要意義。分子動力學(xué)模擬是從原子分子水平探索物質(zhì)微觀作用本質(zhì)的有效手段，目前應(yīng)用廣泛的表征及檢測介質(zhì)中納米物質(zhì)的方法(如DLS，AFM, TEM等)難以滿足原子分子水平上定量監(jiān)測納米尺度物質(zhì)表面微觀特性及動態(tài)變化的要求，而分子動力學(xué)模擬技術(shù)彌補了此方面的不足。針對天然水環(huán)境中可能暴露的典型納米材料，將分子動力學(xué)模擬技術(shù)用于研究納米材料在水環(huán)境中的聚集過程。并在此基礎(chǔ)上，揭示納米材料在聚集過程中的界面相互作用機理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種利用LAMMPS計算軟件和VMD及OVITO分析軟件在服務(wù)器上模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，從原子分子水平上定量分析納米污染物在水環(huán)境中的潛在污染效應(yīng)，為水環(huán)境生態(tài)安全性保障和納米科技可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，包括以下步驟:
步驟一、構(gòu)建水環(huán)境中納米物質(zhì)界面的幾何模型，并賦予其物理意義；
步驟二、采用能量最小化方法對模型進行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加真實可靠；
步驟三、參考實驗研究，在與真實環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進行分子動力學(xué)模擬計算，得到各原子的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件；
步驟四、通過模擬所得到的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件，研究納米物質(zhì)在水環(huán)境聚集過程中的界面相互作用的動力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。
[0005]本發(fā)明從本質(zhì)上考察納米污染物在水環(huán)境中的潛在污染效應(yīng)，為水環(huán)境生態(tài)安全性保障和納米科技可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
[0006]利用本發(fā)明所述的方法進行納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用研究與傳統(tǒng)方法相比，具有以下顯著的優(yōu)越性:
(O可以在分子原子水平上研究納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用，以及在這個過程中水分子及離子所起到的作用；
(2)可以計算納米物質(zhì)之間相互作用的能量，從能量的角度來考察界面相互作用；
(3)在原子分子水平上形象直觀的理解納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用；
(4)此研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可在水處理領(lǐng)域及與納米溶液相關(guān)的生命科學(xué)、物理化學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為D=4 nm的納米二氧化鈦顆粒中心間距的演化圖；
圖2為D=4 nm的納米二氧化鈦顆粒的聚集過程快照圖；
圖3為I ns，D=4 nm的納米二氧化鈦顆粒表面水密度分布；
圖4為3 ns, D=4 nm的納米二氧化鈦顆粒表面水密度分布；
圖5為D=4 nm的納米二氧化鈦顆粒3 ns時表面水分子構(gòu)象。

【具體實施方式】
[0008]下面對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0009]【具體實施方式】一:本實施方式利用LAMMPS計算軟件(http://lammps.sandia.gov/)和 VMD (http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/)及 OVITO (http://www.0vit0.0rg/)分析軟件在計算服務(wù)器上模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用，主要包括以下幾個方面:
一、構(gòu)建水環(huán)境中納米物質(zhì)界面的幾何模型，并賦予其物理意義；
二、采用能量最小化方法對模型進行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加真實可靠；
三、在與真實環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進行分子動力學(xué)模擬計算，得到各原子的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件；
四、通過模擬所得到的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件，考察納米物質(zhì)在水環(huán)境聚集過程中的界面相互作用的動力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。
[0010]具體步驟如下:
(I)SSMaterials studio的Materials Visualizer模塊構(gòu)建納米物質(zhì)的幾何模型，不同納米物質(zhì)幾何模型不同，金屬納米物質(zhì)通常構(gòu)建為納米顆粒，并根據(jù)所研究的水溶液中PH值的不同，在納米物質(zhì)表面構(gòu)建不同數(shù)目的羥基。
[0011](2)自編程序構(gòu)建大小合適的正方體水盒子，將納米物質(zhì)置于水盒子中央，將與納米物質(zhì)所有原子重疊以及距離納米物質(zhì)表面原子3A內(nèi)的水分子刪除。并在水盒子中放置相應(yīng)數(shù)目的陰離子和陽離子(離子強度可根據(jù)實際情況調(diào)整)，同樣將與離子重疊以及距離離子3A內(nèi)的水分子刪掉。整個系統(tǒng)的電荷保持中性。
[0012](3)不同納米物質(zhì)采用最能精確描述其物理化學(xué)特征的力場，水分子采用SPC/E力場，離子只考慮靜電作用。物質(zhì)之間的相互作用參數(shù)從可信的科學(xué)文獻(xiàn)上獲得。納米物質(zhì)內(nèi)部原子、水分子及離子的電荷采用可信的科學(xué)文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)。納米物質(zhì)表面原子電荷米用 MUSIC (multi site complexation)模型計算得到。
[0013](4)利用LAMMPS軟件,采用Conjugate Gradient (CG)算法,在周期性邊界條件下對步驟(2)中的納米水溶液系統(tǒng)進行能量最小化處理。在此過程中，每Ifs計算一次以各原子為球心，半徑為12A的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力及電場力。
[0014](5)上述過程之后，依然采用與(4)中相同的力場、周期性邊界條件、時間步長、范德華力和電場力計算方法，采用高斯分布對所有原子速度初始化，使用Nose-Hoover控溫方法，使系統(tǒng)逐漸升溫，并控制在300K。采用PPPM (particle-particle particle-mesh)方法計算長程庫倫作用力。對整個體系進行數(shù)納秒的分子動力學(xué)模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡文件(命名為homoaggregation.xyz )及相關(guān)計算文件(相互作用能文件、相互作用力文件、徑向分布函數(shù)文件、均方位移文件和相互間距文件)。
[0015](6)將計算結(jié)果homoaggregation.xyz載入VMD及0VIT0軟件觀察所有原子的運動軌跡。
[0016](7)通過上述運動軌跡文件及相關(guān)計算文件，分析納米物質(zhì)、離子及水分子的熱力學(xué)特征及界面相互作用特征。結(jié)合VMD、0VIT0軟件及自編程序，得到納米物質(zhì)中心距離變化、納米物質(zhì)相互作用能變化、水分子在納米物質(zhì)表面的分布及離子與納米物質(zhì)的相互作用能變化。
[0017](8)通過以上分析，確定納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的關(guān)鍵部分。
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式以納米二氧化鈦顆粒在水中聚集為例，其具體步驟如下:
(I)通過Materials studio的Materials Visualizer模塊構(gòu)建晶紅石型二氧化鈦的超大晶胞，并切割為一個直徑為4nm的納米顆粒，刪除掉表面多余的鈦或氧原子，以保持整個顆粒電荷中性。在顆粒的表面添加羥基，不同PH值下，添加的羥基數(shù)目不同。
[0019](2)構(gòu)建邊長為105A的正方形水盒子，將所構(gòu)建的納米二氧化鈦顆粒置于水盒子中央，并將與納米二氧化鈦顆粒重疊及距離納米二氧化鈦顆粒表面原子3A內(nèi)的水分子刪掉，并在水盒子中隨機放置一定數(shù)目的鈉離子、鈣離子及氯離子以保持整個模擬系統(tǒng)的電中性。同樣將與離子重疊及距離離子3A內(nèi)的水分子刪掉。
[0020](3)水分子采用SPC/E力場，鈉離子，鈣離子及鎂離子只考慮靜電作用。納米二氧化鈦顆粒采用Matsui和Akaogi所開發(fā)的Buckingham力場。各種原子之間的相互作用參數(shù)取自相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)。
[0021](4)利用Lammps軟件,采用Conjugate Gradient (CG)算法,在周期性邊界條件下，對步驟(2)的納米水溶液系統(tǒng)進行能量最小化處理。在此過程中，每Ifs計算一次以各原子為球心，半徑為12 A的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力及電場力。
[0022](5)上述過程結(jié)束之后，依然采用與(4)中相同的力場、周期性邊界條件、時間步長、范德華力和電場力計算方法，采用高斯分布對所有原子初始速度進行分布，使用Nose-Hoover控溫方法,使系統(tǒng)逐漸升溫,并控制在300K。采用PPPM (particle-particleparticle-mesh)方法計算長程庫倫作用力。對整個體系進行10納秒的分子動力學(xué)模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡及相關(guān)計算文件。
[0023](6)將計算結(jié)果homoaggregation.xyz載入VMD及0VIT0軟件觀察所有原子的運動軌跡。
[0024](7)分析軌跡文件及相關(guān)計算文件，可作出快照圖反映納米二氧化鈦顆粒隨著時間的軌跡演化圖。并計算兩個二氧化鈦納米顆粒中心距離隨時間的變化來判斷是否聚集。為分析聚集機理，考察聚集過程中的相互作用，計算納米顆粒之間的相互作用能，分析顆粒與顆粒之間相互作用對聚集的影響。并通過計算水分子對于納米顆粒表面原子的徑向分布函數(shù)，考察水分子在納米顆粒表面的分布，進一步確定水分子在顆粒表面的結(jié)構(gòu)對聚集的影響。計算納米二氧化鈦顆粒與離子及離子與水分子的徑向分布函數(shù)，考察離子在納米顆粒聚集過程中的作用。
[0025](8)納米二氧化鈦顆粒中心間距隨時間變化圖如圖1所示，納米二氧化鈦顆粒的聚集過程如圖2所示，納米二氧化鈦顆粒表面的水密度分布如圖3、4所示，納米二氧化鈦表面水分子構(gòu)象圖如圖5所示，通過以上分析，確定納米二氧化鈦顆粒在水中聚集界面的相互作用的關(guān)鍵部分是水分子在納米二氧化鈦顆粒表面的吸附結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 步驟一、構(gòu)建水環(huán)境中納米物質(zhì)界面的幾何模型，并賦予其物理意義； 步驟二、采用能量最小化方法對模型進行優(yōu)化； 步驟三、參考實驗研究，在與真實環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進行分子動力學(xué)模擬計算，得到各原子的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件； 步驟四、通過模擬所得到的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件，研究納米物質(zhì)在水環(huán)境聚集過程中的界面相互作用的動力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述步驟一的具體步驟如下: (1)SSMaterialsstud1的Materials Visualizer模塊構(gòu)建納米物質(zhì)的幾何模型，并根據(jù)所研究的水溶液中PH值的不同，在納米物質(zhì)表面構(gòu)建不同數(shù)目的羥基； (2)構(gòu)建正方體水盒子，將納米物質(zhì)置于水盒子中央，將與納米物質(zhì)所有原子重疊以及距離納米物質(zhì)表面原子3A內(nèi)的水分子刪掉，并在水盒子中放置陰離子和陽離子，同樣將與離子重疊以及距離離子3A內(nèi)的水分子刪除，整個系統(tǒng)的電荷必須保持中性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述步驟二的具體步驟如下: 利用LAMMPS軟件,采用Conjugate Gradient算法,在周期性邊界條件下對納米水溶液系統(tǒng)進行能量最小化處理，在此過程中，每Ifs計算一次以各原子為球心，半徑為12A的球形空間內(nèi)的其它原子對該原子的范德華力及電場力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述步驟三的具體步驟如下: 采用與步驟二中相同的力場、周期性邊界條件、時間步長、范德華力和電場力計算方法，采用高斯分布對所有原子速度初始化，使用Nose-Hoover控溫方法，使系統(tǒng)逐漸升溫，并控制在300K，采用PPPM方法計算長程庫倫作用力；對整個體系進行數(shù)納秒的分子動力學(xué)模擬，得到該過程中各原子的運動軌跡文件及相關(guān)計算文件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述步驟四的具體步驟如下: (1)將步驟三得到的各原子的運動軌跡文件載入VMD及OVITO軟件觀察所有原子的運動軌跡； (2)通過所有原子的運動軌跡及相關(guān)計算文件，分析納米物質(zhì)、離子及水分子的熱力學(xué)特征及界面相互作用特征，計算納米物質(zhì)中心距離、納米物質(zhì)相互作用能、水分子在納米物質(zhì)表面的分布及離子與納米物質(zhì)的相互作用能； (3)通過以上分析，確定納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的關(guān)鍵部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的利用計算機模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述相關(guān)計算文件為相互作用能文件、相互作用力文件、徑向分布函數(shù)文件、均方位移文件和相互間距文件。
【文檔編號】G06F17/50GK104077457SQ201410329553
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】崔福義, 魯晶, 劉冬梅, 唐歡, 趙英 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)