CN104077457B

CN104077457B - 一种利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法

Info

Publication number: CN104077457B
Application number: CN201410329553.1A
Authority: CN
Inventors: 崔福义; 鲁晶; 刘冬梅; 唐欢; 赵英
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: CN104077457A

Abstract

本发明公开了一种利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、构建水环境中纳米物质界面的几何模型，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；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，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，研究纳米物质在水环境中聚集的界面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污染物聚集界面相互作用的角度去定量分析纳米污染物在水环境中的潜在污染效应，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

一种利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法

技术领域

本发明涉及一种利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，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聚集的界面相互作用的方法。

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,由于纳米污染物具有特异理化性质(小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)，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，研究纳米材料在水环境中的迁移、转化及归趋对控制纳米物质污染具有重要意义。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，目前应用广泛的表征及检测介质中纳米物质的方法（如DLS,AFM,TEM等）难以满足原子分子水平上定量监测纳米尺度物质表面微观特性及动态变化的要求，而分子动力学模拟技术弥补了此方面的不足。针对天然水环境中可能暴露的典型纳米材料，将分子动力学模拟技术用于研究纳米材料在水环境中的聚集过程。并在此基础上，揭示纳米材料在聚集过程中的界面相互作用机理。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用LAMMPS计算软件和VMD及OVITO分析软件在服务器上模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，从原子分子水平上定量分析纳米污染物在水环境中的潜在污染效应，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物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，包括以下步骤：

步骤一、构建水环境中纳米物质界面的几何模型，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，研究纳米物质在水环境聚集过程中的界面相互作用的动力学特征及关键作用。

本发明从本质上考察纳米污染物在水环境中的潜在污染效应，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物质在水环境中聚集的界面相互作用研究与传统方法相比，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物质在水环境中聚集的界面相互作用，以及在这个过程中水分子及离子所起到的作用；

（2）可以计算纳米物质之间相互作用的能量，从能量的角度来考察界面相互作用；

（3）在原子分子水平上形象直观的理解纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用；

（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D=4 nm的纳米二氧化钛颗粒中心间距的演化图；

图2为D=4 nm的纳米二氧化钛颗粒的聚集过程快照图；

图3为1 ns，D=4 nm的纳米二氧化钛颗粒表面水密度分布；

图4为3 ns，D=4 nm的纳米二氧化钛颗粒表面水密度分布；

图5为D=4 nm的纳米二氧化钛颗粒3 ns时表面水分子构象。

具体实施方式

下面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聚集的界面相互作用，主要包括以下几个方面：

一、构建水环境中纳米物质界面的几何模型，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、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，考察纳米物质在水环境聚集过程中的界面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模块构建纳米物质的几何模型，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，在纳米物质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，将纳米物质置于水盒子中央，将与纳米物质所有原子重叠以及距离纳米物质表面原子3Å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。整个系统的电荷保持中性。

（3）不同纳米物质采用最能精确描述其物理化学特征的力场，水分子采用SPC/E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）中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（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homoaggregation.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homoaggregation.xyz载入VMD及OVITO软件观察所有原子的运动轨迹。

（7）通过上述运动轨迹文件及相关计算文件，分析纳米物质、离子及水分子的热力学特征及界面相互作用特征。结合VMD、OVITO软件及自编程序，得到纳米物质中心距离变化、纳米物质相互作用能变化、水分子在纳米物质表面的分布及离子与纳米物质的相互作用能变化。

（8）通过以上分析，确定纳米物质在水环境中聚集的界面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在水中聚集为例，其具体步骤如下：

（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4nm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。

（2）构建边长为105Å的正方形水盒子，将所构建的纳米二氧化钛颗粒置于水盒子中央，并将与纳米二氧化钛颗粒重叠及距离纳米二氧化钛颗粒表面原子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模拟系统的电中性。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SPC/E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。各种原子之间的相互作用参数取自相关科学文献。

（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12 Å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10纳秒的分子动力学模拟，得到该过程中各原子的运动轨迹及相关计算文件。

（7）分析轨迹文件及相关计算文件，可作出快照图反映纳米二氧化钛颗粒随着时间的轨迹演化图。并计算两个二氧化钛纳米颗粒中心距离随时间的变化来判断是否聚集。为分析聚集机理，考察聚集过程中的相互作用，计算纳米颗粒之间的相互作用能，分析颗粒与颗粒之间相互作用对聚集的影响。并通过计算水分子对于纳米颗粒表面原子的径向分布函数，考察水分子在纳米颗粒表面的分布，进一步确定水分子在颗粒表面的结构对聚集的影响。计算纳米二氧化钛颗粒与离子及离子与水分子的径向分布函数，考察离子在纳米颗粒聚集过程中的作用。

（8）纳米二氧化钛颗粒中心间距随时间变化图如图1所示，纳米二氧化钛颗粒的聚集过程如图2所示，纳米二氧化钛颗粒表面的水密度分布如图3、4所示，纳米二氧化钛表面水分子构象图如图5所示，通过以上分析，确定纳米二氧化钛颗粒在水中聚集界面的相互作用的关键部分是水分子在纳米二氧化钛颗粒表面的吸附结构。

Claims

1.一种利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤一、构建水环境中纳米物质界面的几何模型，并赋予其物理意义，具体步骤如下：

（1）通过Materials studio 的Materials Visualizer模块构建纳米物质的几何模型，并根据所研究的水溶液中pH值的不同，在纳米物质表面构建不同数目的羟基；

（2）构建正方体水盒子，将纳米物质置于水盒子中央，将与纳米物质所有原子重叠以及距离纳米物质表面原子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，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；

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，所述相关计算文件为相互作用能文件、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；

2.根据权利要求1所述的利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：

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。

3.根据权利要求1所述的利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，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，得到该过程中各原子的运动轨迹文件及相关计算文件。

4.根据权利要求1所述的利用计算机模拟纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的方法，其特征在于所述步骤四的具体步骤如下：

（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）通过所有原子的运动轨迹及相关计算文件，分析纳米物质、离子及水分子的热力学特征及界面相互作用特征，计算纳米物质中心距离、纳米物质相互作用能、水分子在纳米物质表面的分布及离子与纳米物质的相互作用能；

（3）通过以上分析，确定纳米物质在水环境中聚集的界面相互作用的关键部分。