CN106934137A - 一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，属于计算机分子模拟技术领域。该方法包括以下步骤：a)构建单层石墨烯的粗粒化模型；b)根据组装形式构建石墨烯组装体的粗粒化模型；c)设置粗粒之间的相互作用；d)进行粗粒化模拟计算。通过本发明可以简便地构建石墨烯组装体计算模型，并在弛豫过程中准确地得到实际组装体模型。所采用的Tersoff势函数与Lennard‑Jones势函数可以很好地表征组装体内化学键的断裂与形成，准确地预测石墨烯的自组装行为。所采用的Tersoff势函数与Lennard‑Jones势函数可以准确地预测石墨烯组装体的力学行为。
Description
技术领域
本发明属于计算机分子模拟技术领域，具体涉及一种研究石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法。
背景技术
近几年，石墨烯组装体成为非常热的话题，吸引了众多的实验、理论和模拟研究，在许多领域都将引起新的技术革命。石墨烯组装体是指以单层石墨烯为基本组装单元，通过共价连接或者氢键、静电作用、π-π作用、范德华力等非共价作用，形成更高层次的有序功能体。石墨烯组装体是实现石墨烯从纳米材料转变为宏观功能材料的关键一步。通过调控石墨烯组装体的形貌和结构，不仅能够更好地实现石墨烯优异的力学、电学和热学等性能，而且还能拓展新的功能和应用。因此，研究石墨烯组装体具有重要的意义。
尽管在近期，提出了许多研究石墨烯的粗粒化分子动力学方法，但都是采用粗粒-弹簧粗粒化模型。该模型是将一个分子链简化为一串粗粒，粗粒间由弹簧连接，适用于具有极大长径比的聚合物分子链或纳米纤维。然而，在构建粗粒-弹簧模型时，除了需要确定粗粒的坐标，还需指定键连信息(两个粗粒间)、键角(三个粗粒间)信息以及二面角信息(四个粗粒间)，建模过程非常复杂，不适于复杂体系的研究，且无法预测组装体的准确组装结构。因此，我们提供了一种新的研究单层石墨烯及石墨烯组装体的分子动力学方法，该方法建模过程简单，仅需确定单层石墨烯上各粗粒的初始坐标，且选用的Tersoff多体势与Lennard-Jones远程势的叠加形式可以准确地预测石墨烯组装体的结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明公开一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，该方法包括以下步骤：a)构建单层石墨烯的粗粒化模型；b)根据组装形式构建石墨烯组装体的粗粒化模型；c)设置粗粒之间的相互作用；d)进行粗粒化模拟计算。
所述石墨烯粗粒分子包含4个碳原子，石墨烯粗粒分子的初始位置为4个碳原子的质量中心，石墨烯粗粒分子的质量为一个碳原子的4倍，石墨烯粗粒分子间的键长为全原子碳-碳键的2倍。
建模时只需要石墨烯粗粒分子的坐标，不需要指定键连、键角与二面角等连接信息。
所述石墨烯粗粒分子间相互作用的力场形式为Tersoff多体势与Lennard-Jones远程势的叠加。
具体地说，该方法包含以下步骤：
1)在分子建模软件Accelrys Material Studio中建立单层石墨烯模型，石墨烯粗粒分子以六元环形式连接，石墨烯粗粒分子间距离为0.284nm。
2)构建石墨烯组装体的初始结构，并将所有石墨烯粗粒分子的坐标输出到坐标文件。
3)采用LAMMPS程序对石墨烯组装体进行计算，在计算命令中指定对势函数类型为Tersoff和LJ/cut，命令如下：
pair_style hybrid/overlay tersofflj/cut 10
pair_coeff**tersoffSiC.tersoffC
pair_coeff**lj/cut 0.022923.469
函数中各项参数在Graphene.tersoff中。格式如下：
C C C 3.01.00.0380494.3484-.57058.727510.000000157241.105951386.84.10.61.743955574.4
本发明的有益效果如下：
通过本发明所述的一种研究石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，可以简便地构建石墨烯组装体计算模型，并在弛豫过程中准确地得到实际组装体模型。
所采用的Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数可以很好地表征组装体内化学键的断裂与形成，准确地预测石墨烯的自组装行为。
所采用的Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数可以准确地预测石墨烯组装体的力学行为。
附图说明
图1为双层石墨烯粗粒化模型，其中a)为初始结构；b)为拉伸断裂。
图2为无定型块体结构，其中a)为能量弛豫前；b)为能量弛豫后。
图3为单层石墨烯结构，其中a)为能量弛豫前；b)为能量弛豫后。
图4为石墨烯分子动力学模型的粗粒化映射；a)为全原子坐标；b)为粗粒坐标。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
双层石墨烯拉伸破坏的粗粒化分子动力学模拟
建立长度为20nm、宽度为10nm的双层石墨烯粗粒化模型，如图1中的a)所示，将初始结构的坐标保存在坐标文件。用LAMMPS程序对石墨烯粗粒化模型进行充分的能量弛豫，使其得到最优构型。将双层石墨烯的最底端1nm固定，并对最顶端1nm处的所有粗粒施加0.5nN的力，最终将双层石墨烯拉断，如图b)所示。
实施例2
石墨烯气凝胶的粗粒化分子动力学模型
在Accelrys Material Studio软件中建立长度与宽度均为5nm的单层石墨烯，用10片石墨烯构建密度为0.2g/cm3的无定型块体结构，如图2中的a)所示。然后，将所有原子坐标导出，并乘以2，保存为LAMMPS可以读取的坐标文件。采用LAMMPS程序，对无定型结构施加静水压力，石墨烯片自组装为气凝胶结构，如图b)所示。
实施例3
石墨烯三维搭接的粗粒化分子动力学模拟
在Accelrys Material Studio软件中建立3片长度与宽度均为5nm的单层石墨烯，并按图3中的a)摆放在一起。此时，每片石墨烯相互独立，相互之间没有共价键。然后，将所有原子坐标导出，并乘以2，保存为LAMMPS可以读取的坐标文件。采用LAMMPS程序，对系统进行能量弛豫。在能量弛豫过程中，三片石墨烯之间自动形成了共价连接，自组装为一个三维结构。
图4为石墨烯分子动力学模型的粗粒化映射；a)为全原子坐标；b)为粗粒坐标。
Claims (8)
1.一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：a)构建单层石墨烯的粗粒化模型；b)根据组装形式构建石墨烯组装体的粗粒化模型；c)设置粗粒之间的相互作用；d)进行粗粒化模拟计算。
2.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：所述石墨烯粗粒分子包含4个碳原子，石墨烯粗粒分子的初始位置为4个碳原子的质量中心，石墨烯粗粒分子的质量为一个碳原子的4倍，石墨烯粗粒分子间的键长为全原子碳-碳键的2倍。
3.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：建模时只需要石墨烯粗粒分子的坐标，不需要指定键连、键角与二面角等连接信息。
4.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：所述石墨烯粗粒分子间相互作用的力场形式为Tersoff多体势与Lennard-Jones远程势的叠加。
5.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：具体地说，该方法包含以下步骤：
1)在分子建模软件Accelrys Material Studio中建立单层石墨烯模型，石墨烯粗粒分子以六元环形式连接，石墨烯粗粒分子间距离为0.284nm；
2)构建石墨烯组装体的初始结构，并将所有石墨烯粗粒分子的坐标输出到坐标文件；
3)采用LAMMPS程序对石墨烯组装体进行计算，在计算命令中指定对势函数类型为Tersoff和LJ/cut，命令如下：
pair_style hybrid/overlay tersofflj/cut 10
pair_coeff**tersoffSiC.tersoffC
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函数中各项参数在Graphene.tersoff中；格式如下：
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6.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：
双层石墨烯拉伸破坏的粗粒化分子动力学模拟
建立长度为20nm、宽度为10nm的双层石墨烯粗粒化模型，将初始结构的坐标保存在坐标文件；用LAMMPS程序对石墨烯粗粒化模型进行充分的能量弛豫，使其得到最优构型；将双层石墨烯的最底端1nm固定，并对最顶端1nm处的所有粗粒施加0.5nN的力，最终将双层石墨烯拉断。
7.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：
石墨烯气凝胶的粗粒化分子动力学模型
在Accelrys Material Studio软件中建立长度与宽度均为5nm的单层石墨烯，用10片石墨烯构建密度为0.2g/cm3的无定型块体结构；然后，将所有原子坐标导出，并乘以2，保存为LAMMPS可以读取的坐标文件；采用LAMMPS程序，对无定型结构施加静水压力，石墨烯片自组装为气凝胶结构。
8.根据权利要求1所述的一种分析石墨烯组装体的粗粒化分子动力学方法，其特征在于：
石墨烯三维搭接的粗粒化分子动力学模拟
在Accelrys Material Studio软件中建立3片长度与宽度均为5nm的单层石墨烯，摆放在一起；此时，每片石墨烯相互独立，相互之间没有共价键；然后，将所有原子坐标导出，并乘以2，保存为LAMMPS读取的坐标文件；采用LAMMPS程序，对系统进行能量弛豫；在能量弛豫过程中，三片石墨烯之间自动形成了共价连接，自组装为一个三维结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170707 |
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