CN109994159B - 一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，通过利用分子动力学模拟的方法改变硅化程度，以考察硅酸的硅化程度对重金属离子结合作用强度的影响。该方法首先通过模拟固液体系的平衡构型，研究的重金属离子在二氧化硅表面的分布情况，然后利用径向分布函数、均方位移等参数考察硅化程度对硅结合重金属离子强度的影响。

Description

一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法

技术领域

本发明涉及对硅结合重金属离子强度影响的模拟技术领域，具体涉及一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法。

背景技术

硅是植物生长的必需元素之一，可以提高植物抗重金属胁迫、疾病、辐射、干旱的能力和农作物的产量，有益于植物的生长。其在土壤中，可调节土壤pH并固定重金属，在进入植物体后，可刺激抗氧化酶的合成并螯合、沉淀和络合重金属。此外，还可改变重金属的赋存形态和调控重金属转运基因的表达进而抑制重金属从根部向植物茎部迁移。因此，硅被制作成硅肥，且广泛应用于水稻种植中。硅在植物体内的赋存形态的转化过程为：植物通过根部吸收硅酸，随后经皮层细胞转运到木质部，最后转移到茎和叶片中，在特化细胞或细胞壁的作用下聚合形成无定形的水合二氧化硅，也称为植物蛋白石或植硅体。植物体内硅酸聚合形成无定型二氧化硅的过程称为硅化过程，硅化过程进行的程度(简称硅化程度)决定了硅酸和无定型二氧化硅的比例。

实验主要探究了在硅对不同种类植物去除重金属的效率、加入硅前后植物不同组织重金属含量、不同种类重金属浓度的影响，以及影响硅减缓重金属毒害的环境因素等。但对于硅化程度对硅结合重金属离子的影响以及哪种形态在固定过程中占主导作用仍不明确；其中硅化过程中硅的两种赋存形态对重金属离子均有一定的结合能力，但是对于不同赋存形态硅对重金属离子的结合机制仍未有明确的结论。因而，从微观角度探明硅化程度对硅结合重金属离子的影响对于调控植物体的硅化程度和提高植物体对重金属离子的结合能力具有重要的意义。然而实验方法很难从微观角度解释作用机理，模拟的方法能够补充实验手段的不足，Jang等[Carbon,2012,50(3):748-760.]利用分子动力学探究了表面氧化程度对乙烯基酯树脂在碳纳米纤维表面分布的影响，通过提取相对浓度分布参数发现表面氧化程度越高，乙烯基酯树脂在碳纳米纤维表面浓度越高，交联程度越高；Hou等[TheJournal of Physical Chemistry C,2017,121(25):13786-13797.]利用分子动力学探究了Na+在硅酸钙毛细管上的迁移，通过均方位移分析发现硅酸钙上的O对Na+的结合作用阻碍Na+的迁移，利用分子动力学分析物质的扩散速率来解释硅酸钙对Na+的吸附机理。鉴于现有技术中对于植物硅肥结合重金属离子的研究很少有考察植物硅化程度的影响，因此行业内急需开发一种考察硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的分子动力学模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，以从微观角度解释硅和重金属离子相互作用的机理，为硅肥在植物硅化界面性质的研究提供一定的理论指导。

其技术解决方案包括：

一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，包括：

a构建初始模型，

利用Materials Studio 2017 R2软件中的Sketch工具构建硅酸分子、二氧化硅表面、重金属离子、水分子和抗衡离子，改变二氧化硅和硅酸的摩尔比以模拟不同的硅化程度，并对各个分子进行电荷分配和初步优化；

利用Amorphous Cell Construction工具和Build Layers工具构建固液界面模型，并随机向水盒子中加入与重金属离子和与重金属离子等量电荷的抗衡离子，以保持体系的电中性；将优化后的硅酸-重金属离子水盒子对称的放于二氧化硅界面处；

b计算平衡构型，

利用Forcite模块对步骤a的模型进行分子力学优化，再对优化后的模型进行分子动力学模拟，获得平衡构型；

c综合分析，

根据步骤b中得到的平衡构型的轨迹文件，利用Forcite模块中的Analysis工具分析表面硅酸的硅和重金属离子的径向分布函数、重金属离子在二氧化硅表面的均方位移和各组分在二氧化硅表面的浓度分布等参数，具体展开分析硅化程度对硅结合重金属离子的影响。

上述技术方案与现有技术相比，带来的直接有益技术效果是：

通过模拟的方法考察硅化程度对植物硅结合重金属离子的影响，不需要耗费大量的实验材料和实验设备，降低成本，节省时间，具有高效的优势。

作为本发明的一个优选，所述重金属离子为二价重金属阳离子。

作为本发明的一个优选，所述二价重金属阳离子为镉离子。

作为本发明的一个优选，所述抗衡离子为负一价卤素阴离子。

作为本发明的一个优选，所述负一价卤素阴离子为氯离子。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本发明公开了一种硅化程度对硅结合重金属离子作用影响的模拟方法，其是利用分子动力学模拟的方法改变硅化程度，用以考察不同硅化程度的硅酸对重金属离子结合作用的影响。该方法首先通过固液体系平衡构型研究不同硅化程度的重金属离子在二氧化硅表面的分布情况，然后利用径向分布函数、均方位移等参数考察硅化程度对硅结合重金属离子强度的影响。本发明模拟方法计算快速、容易实现，计算结果准确，与实验结果相吻合；可以弥补实验手段的不足，从微观角度解释硅和重金属离子相互作用的机理，为硅肥在植物硅化界面性质的研究提供一定的理论指导。

附图说明

图1-图5为不同硅化程度的硅酸-重金属镉离子-二氧化硅体系固液界面平衡构型图；

图6-图10为不同硅化程度的硅酸-重金属镉离子-二氧化硅体系中各组分在界面处的浓度分布曲线图；

图11为不同硅化程度下硅酸与镉离子的径向分布图；

图12为镉离子距离二氧化硅表面不同距离的均方位移图；

图13为不同硅化程度下镉离子的均方位移图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明所选用的主要化学药品硅酸和重金属离子氯化镉均可通过商业渠道购买得到。

下面以重金属离子为镉离子为例对本发明做进一步说明。

一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤1、构建分子结构，

根据部分硅化的硅酸的相关实验和理论文献，得到部分硅化的硅酸-镉离子-二氧化硅体系结构，利用Materials Studio2017 R2软件中Sketch工具构建硅酸、镉离子、二氧化硅、抗衡离子和水分子等，改变硅酸与二氧化硅摩尔比的比例来模拟不同的硅化程度，并对其进行电荷分配和初步优化。

步骤2、构建初始模型，

利用Amorphous Cell Construction工具和Build Layers工具构建硅酸-镉离子-二氧化硅固液界面模型，构建不同硅化程度下硅结合镉离子的模型以模拟植物体内硅化过程。如图2、3、4所示，中间层为无定型二氧化硅层，上下两层为镉离子与硅酸的水溶液，加入抗衡离子氯离子使体系呈电中性。因高温方石英的体相密度、反射指数和表面的硅醇烷类型与无定型二氧化硅类似，故采用羟基化的高温方石英的(1,0,0)面来近似表达无定型二氧化硅表面。硅化程度为100％的二氧化硅表面通过优化超晶胞4×4×1得到，模型中硅原子数目为288个，其它硅化程度模型(硅化程度为75％、50％、25％)通过删除优化后的二氧化硅4×4×1超晶胞表面的硅和增加相应硅酸数量维持所有模型的硅数目为288个。图1、2、3、4、5，对应硅酸数目分别为288、216、144、72、0个，二氧化硅中的硅原子数目分别为0、72、144、216、288个。在二氧化硅上下区域中，镉离子和氯离子数目分别为50、100个，水分子数目为2585，为了清楚显示将水分子隐去。模型的盒子大小为

步骤3、计算硅酸-镉离子-二氧化硅固液体系平衡构型，

利用Forcite模块对模型进行几何结构优化(Geometry Optimization)，然后再对优化后的模型进行分子动力学模拟(Forcite Molecular Dynamics)；

硅酸-镉离子-二氧化硅固液体系分子力学优化参数：力场选用Universal，范德华相互作用采用Atom Based方法计算，库伦相互作用采用Ewald方法计算，选择SmartMinimizer方法对体系进行10000步的优化；

硅酸-镉离子-二氧化硅体系动力学模拟参数：采用NVT系综进行分子动力学模拟的计算，温度选取298 K，截断半径选择1.85nm，模拟时间为4000ps，时间步长为1fs，每1000步输出一帧。

不同硅化程度的硅酸-重金属镉离子-二氧化硅体系平衡构型见图1、图2、图3、图4、图5，硅化程度分别为0、25％、50％、75％、100％；从图中可看出，重金属镉离子吸附在二氧化硅表面，同时镉离子分布结合在硅酸分子附近；随着硅化程度的变化，二氧化硅和硅酸结合的镉离子的数量发生变化；

步骤4、综合分析，

根据硅酸-镉离子-二氧化硅平衡构型的轨迹文件，提取各组分在二氧化硅浓度分布曲线，通过浓度分布曲线峰值的变化情况，说明硅酸对镉在二氧化硅表面分布的影响；硅酸-镉离子-二氧化硅体系中镉离子在界面处的浓度分布曲线见图6-10；

分析不同硅化程度下硅酸分子的硅和镉离子的径向分布曲线、镉离子的均方位移等参数，分析硅酸、二氧化硅与镉离子的配位、吸附作用，进一步说明硅化程度对硅结合重金属镉离子的影响；

硅酸-镉离子-二氧化硅固液体系中硅酸分子的硅和镉离子的径向分布曲线见图11，镉离子距离二氧化硅表面不同距离的均方位移见图12；不同硅化程度下镉离子的均方位移见图13；

本发明未述及的阴离子表面活性剂在上述实施例的指引下可显而易见的实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，其特征在于，包括：

a构建初始模型，

利用Materials Studio 2017R2软件中的Sketch工具构建硅酸分子、二氧化硅表面、重金属离子、水分子和抗衡离子，改变二氧化硅和硅酸的摩尔比以模拟不同的硅化程度，并对各个分子进行电荷分配和初步优化；

利用Amorphous Cell Construction工具和Build Layers工具构建固液界面模型，并随机向水盒子中加入重金属离子，以及电荷量与重金属离子相等的抗衡离子，以保持体系的电中性；将优化后的硅酸-重金属离子水盒子对称的放于二氧化硅界面处；

b计算平衡构型，

利用Forcite模块对步骤a的模型进行分子力学优化，再对优化后的模型进行分子动力学模拟，获得平衡构型；

c综合分析，

根据步骤b中得到的平衡构型的轨迹文件，利用Forcite模块中的Analysis工具分析硅酸分子的硅和重金属离子的径向分布函数、重金属离子在二氧化硅表面的均方位移和各组分在二氧化硅表面的浓度分布参数，具体展开分析硅化程度对硅结合重金属离子的影响。

2.根据权利要求1所述的硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，其特征在于，所述重金属离子为二价重金属阳离子。

3.根据权利要求2所述的硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，其特征在于，所述二价重金属阳离子为镉离子。

4.根据权利要求1所述的硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，其特征在于，所述抗衡离子为负一价卤素阴离子。

5.根据权利要求4所述的硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，其特征在于，所述负一价卤素阴离子为氯离子。

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