CN104063561B - 一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，包括以下步骤：构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义；采用能量最小化方法对模型进行优化，使其结构更加真实；在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件；通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件，研究纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用。本发明在分子原子水平上从纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的角度去定量分析了纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性保障和纳米科技可持续发展奠定了理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，尤其涉及一种利用LAMMPS和VMD及OVITO软件研究纳米物质在水环境中相互作用的方法。
背景技术
随着纳米科技的发展，大量纳米材料会直接或间接进入水环境系统，与环境本底纳米污染物相互作用。由于纳米污染物特异理化性质(小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)，纳米材料与环境本底纳米污染物结合体的潜在危害对水环境安全提出了新的挑战。为了确保纳米技术作为可持续发展的有利工具而非环境的负担，研究纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中的相互作用机制尤为迫切。分子动力学模拟是从原子分子水平探索物质微观作用本质的有效手段，弥补了现有实验技术不能从原子分子水平上，定量揭示水环境中纳米物质动态变化特征及相互作用机理的不足。为水环境生态安全性的保障和纳米技术的可持续发展提供了理论基础。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用LAMMPS计算软件和VMD及OVITO分析软件在计算服务器上模拟纳米物质在水环境中相互作用的方法，从原子分子水平上定量分析纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性保障和纳米科技可持续发展奠定了理论基础。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，包括以下步骤：
步骤一、构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义；
步骤二、采用能量最小化方法对模型进行优化，使其结构更加真实可靠；
步骤三、参考实验研究，在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件。
步骤四、通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件考察纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用。
本发明针对天然水环境中典型纳米材料与环境本底纳米污染物，将分子动力学模拟同实验研究、理论模型结合，研究纳米材料与环境本底纳米污染物的相互作用机理，从本质上考察了纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性保障和纳米科技可持续发展奠定了理论基础。
利用本发明所述的方法进行纳米材料同环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的模拟与传统方法相比，具有以下显著的优越性：
（1）可以在分子原子水平上研究纳米材料同环境本底纳米污染物的相互作用，以及在这个过程中水分子及离子所起的作用；
（2）可以计算纳米材料同环境本底纳米污染物相互作用的能量，从能量的角度来研究相互作用；
（3）在原子分子水平上直观形象的理解纳米材料同环境本底纳米污染物的相互作用；
（4）此研究结果准确可靠，可在水处理领域及与纳米溶液相关的生命科学、物理化学等领域得到应用。
附图说明
图1为t=1 ns时纳米二氧化钛颗粒与TNB及离子的相对位移快照图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式利用LAMMPS计算软件（http://lammps.sandia.gov/）和VMD（http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/）及OVITO（http://www.ovito.org/）分析软件在计算服务器上模拟纳米物质在水环境中相互作用，主要包括以下几个方面：
一、构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义；
二、采用能量最小化方法对模型进行优化，使其结构更加真实可靠；
三、参考实验研究，在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件；
四、通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件，考察纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用。
具体步骤如下：
（1）通过Materials studio 的Materials Visualizer模块构建纳米材料的几何模型及环境本底纳米污染物模型，不同纳米物质几何模型不同，金属纳米物质通常构建为纳米颗粒，并根据所研究的水溶液中pH值的不同，在纳米材料表面构建不同数目的羟基。
（2）自编程序构建大小合适的正方体水盒子，将两种纳米物质平行置于水盒子中央，将与纳米材料及环境本底纳米污染物所有原子重叠以及距离上述两种纳米物质表面原子3 Å内的水分子删除。并在水盒子中放置相应数目的阴离子和阳离子（离子强度可根据实际情况调整），同样将与离子重叠以及距离离子3Å内的水分子删掉。整个系统的电荷必须保持中性。
（3）两种纳米物质分别采用最能精确描述其物理化学特征的力场，水分子采用TIP3P力场，离子只考虑静电作用。物质之间的相互作用参数从可信的科学文献上获得。纳米物质内部原子、水分子及离子的电荷采用可信的科学文献上的数据。纳米物质表面原子电荷采用MUSIC（multi site complexation）模型计算得到。
（4）利用LAMMPS软件，采用Conjugate Gradient（CG）算法，在周期性边界条件下对步骤（2）的纳米水溶液系统进行能量最小化处理。在此过程中，每1fs计算一次以各原子为球心，半径为12Å的球形空间内的其它原子对该原子的范德华力及电场力。
（5）上述过程之后，依然采用与步骤（4）中相同的力场、周期性边界条件、时间步长、范德华力和电场力计算方法，采用高斯分布对所有原子速度初始化，使用Nose-Hoover控温方法，使系统逐渐升温，并控制在300K。采用PPPM（particle-particle particle-mesh）方法计算长程库伦作用力。对整个体系进行数纳秒的分子动力学模拟，得到该过程中各原子的运动轨迹文件（命名为heteroaggregation.xyz）及相关计算文件（相互作用能文件、相互作用力文件、径向分布函数文件、均方位移文件和相互间距文件）。
（6）将计算结果heteroaggregation.xyz载入VMD及OVITO软件观察所有原子的运动轨迹。
（7）根据所有原子的运动轨迹文件及相关计算文件，做出快照图反映纳米材料与环境本底纳米污染物随着时间的轨迹演化图，计算纳米材料与环境本底纳米污染物之间的相互作用能及环境本底纳米污染物与纳米材料的径向分布函数，考察环境本底纳米污染物与纳米材料之间的相互作用机理，同时计算离子与纳米材料及环境本底纳米污染物之间的径向分布函数，分析离子对于纳米材料及环境本底纳米污染物之间相互作用的影响。
（8）通过以上分析，确定纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的关键部分。
具体实施方式二：本实施方式以纳米二氧化钛颗粒与天然有机物在水中相互作用为例，具体步骤如下：
（1）通过Materials studio 的Materials Visualizer模块构建晶红石型二氧化钛的超大晶胞，并切割为一个直径为2nm的纳米颗粒，删除掉表面多余的钛或氧原子，以保持整个颗粒电荷中性。在颗粒的表面添加羟基，不同pH值下，添加的羟基数目不同。天然有机物采用TNB模型。
（2）构建边长为90Å的正方体水盒子，将所构建的纳米二氧化钛颗粒及TNB置于水盒子中央，并将与纳米二氧化钛颗粒及TNB重叠及距离纳米二氧化钛颗粒及TNB表面原子3Å内的水分子删掉，并在水盒子中随机放置一定数目的钠离子、钙离子及氯离子以保持整个系统的电中性。同样将与离子重叠及距离离子3Å内的水分子删掉。
（3）水分子采用TIP3P力场，钠离子、钙离子及镁离子只考虑静电作用。纳米二氧化钛颗粒采用Matsui 和Akaogi所开发的Buckingham力场。TNB采用Amber力场。各种原子之间的相互作用采用取自相关科学文献。
（4）利用Lammps软件，采用Conjugate Gradient（CG）算法，在周期性边界条件下，对纳米水溶液模拟系统进行能量最小化处理。在此过程中，每1fs计算一次以各原子为球心，半径为12Å的球形空间内的其它原子对该原子的范德华力及电场力。
（5）上述过程结束之后，依然采用与（4）中相同的力场、周期性边界条件、时间步长、范德华力和电场力计算方法，采用高斯分布对所有原子初始速度进行分布，使用Nose-Hoover控温方法，使系统逐渐升温，并控制在300K。采用PPPM（particle-particleparticle-mesh）方法计算长程库伦作用力。对整个体系进行5纳秒的分子动力学模拟计算，得到该过程中各原子的运动轨迹文件及相关计算文件。
（6）将计算结果heteroaggregation.xyz载入VMD及OVITO软件观察所有原子的运动轨迹。
（7）分析轨迹文件及相关计算文件，可做出快照图反映纳米二氧化钛颗粒与TNB随着时间的轨迹演化图。计算纳米颗粒与TNB之间的相互作用能及TNB与纳米颗粒的径向分布函数，考察TNB与纳米颗粒之间的相互作用机理，同时计算离子与纳米颗粒及TNB之间的径向分布函数，分析离子对于纳米颗粒及TNB之间相互作用的影响。
（8）纳米二氧化钛颗粒与TNB及离子的相对位移如图1所示。通过以上分析，确定纳米二氧化钛颗粒与NOM相互作用的关键部分为二氧化钛表面原子同NOM中的羧基和氨基的相互作用。
Claims (2)
1.一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义，具体步骤如下：
（1）通过Materials studio 的Materials Visualizer模块构建纳米材料的几何模型及环境本底纳米污染物模型，并根据所研究的水溶液中pH值的不同，在纳米材料表面构建不同数目的羟基；
（2）构建正方体水盒子，将两种纳米物质平行置于水盒子中央，将与纳米材料及环境本底纳米污染物所有原子重叠以及距离上述两种纳米物质表面原子3Å内的水分子删掉；并在水盒子中放置阴离子和阳离子，同样将与离子重叠以及距离离子3Å内的水分子删除掉，整个系统的电荷必须保持中性；
步骤二、采用能量最小化方法对模型进行优化，具体步骤如下：
利用LAMMPS软件，采用Conjugate Gradient算法，在周期性边界条件下对纳米水溶液系统进行能量最小化处理；在此过程中，每1fs计算一次以各原子为球心，半径为12Å的球形空间内的其它原子对该原子的范德华力及电场力；
步骤三、参考实验研究，在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件，所述相关计算文件指相互作用能文件、相互作用力文件、径向分布函数文件、均方位移文件和相互间距文件；
步骤四、通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件，研究纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用，具体步骤如下：
（1）将步骤三得到的各原子的运动轨迹文件载入VMD及OVITO软件观察所有原子的运动轨迹；
（2）根据所有原子的运动轨迹文件及相关计算文件，做出快照图反映纳米材料与环境本底纳米污染物随着时间的轨迹演化图，计算纳米材料与环境本底纳米污染物之间的相互作用能及环境本底纳米污染物与纳米材料的径向分布函数，考察环境本底纳米污染物与纳米材料之间的相互作用机理，同时计算离子与纳米材料及环境本底纳米污染物之间的径向分布函数，分析离子对于纳米材料及环境本底纳米污染物之间相互作用的影响；
（3）通过以上分析，确定纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的关键部分。
2.根据权利要求1所述的利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤如下：
采用与步骤二中相同的力场、周期性边界条件、时间步长、范德华力和电场力计算方法，采用高斯分布对所有原子速度初始化，使用Nose-Hoover控温方法，使系统逐渐升温，并控制在300K；采用PPPM方法计算长程库伦作用力，对整个体系进行数纳秒的分子动力学模拟计算，得到该过程中各原子的运动轨迹文件及相关计算文件。
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