CN114397420B - 一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法，包括以下步骤：步骤1、获取层状堆积含能化合物的分子晶体结构数据；步骤2、按照预定义的参数，采用第一性原理计算优化步骤1得到的分子晶体结构数据，得到优化后分子晶体结构数据；步骤3、设定分子晶体中分子层的压缩步数和压缩百分比，通过设定的压缩步数和压缩百分比确定压缩步长，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据；根据得到的每一步压缩后的分子晶体结构数据和预定义的参数，采用第一性原理计算方法，最终确定分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能。本发明方法得到分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能，确定可表征分子形变的难易程度分子晶体结构的压缩势能变化量。
Description
技术领域
本发明属于含能材料计算化学研究领域，涉及含能化合物的分子晶体形变模拟，具体涉及一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法。
背景技术
近年来，含能材料的发展受到国际学术界的广泛关注。含能化合物的种类丰富多元，含能特性千差万别。随着量子化学理论和计算机科学的飞速发展，采用计算化学方法探究分子结构与含能特性之间构效关系的研究已成为含能化合物研究的主要趋势。
含能化合物的撞击感度和摩擦感度，即机械感度，是衡量含能化合物生产、运输、贮存过程安全性的重要标准。现有技术中，通过模拟层状堆积平面型含能化合物单分子和分子晶体的压缩和滑移的过程研究其形变难易程度，然后以难易程度来定性对比研究含能化合物的撞击感度和摩擦感度。现有研究表明：该类物质越容易产生滑移，摩擦感度越低；越容易被压缩，撞击感度越高。
然而，现有技术模型中，用滑移对应摩擦感度和用压缩对应撞击感度过于理想化，分子晶体在受到外界刺激时，作用力并非完美垂直作用于堆积方向或完美平行于分子层平面，因此实际情况中，压缩与滑移是同步进行的。此外，层状堆积分子不仅限于层状堆积的平面型分子，还包含由氢键连接形成的二维分子链，此类分子晶体结构的机械感度与其构效关系的研究也是空白，由于无法构建该类化合物机械感度与其分子晶体结构间的构效关系，导致在设计新型含能化合物的分子结构时无法预判其机械感度与典型含能化合物之间的高低关系，使得分子设计存在盲目性，增加了实验合成含能化合物过程中的风险。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法，以解决由于在分子设计阶段无法通过实验测试分子晶体机械感度、无法定性判断预合成化合物危险性的技术问题，降低分子设计的盲目性，减小合成过程中物料处理的风险，提高实验过程中的安全性。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法，所述分子晶体压缩势能用于表征分子形变的难易程度，所述分子晶体压缩势能用于表征分子形变的难易程度，所述方法包括以下步骤：
步骤1、获取层状堆积含能化合物的分子晶体结构数据；
所述分子晶体结构数据包括晶胞长度、晶胞方向和分子晶体内所有原子的初始分数坐标；
步骤2、按照预定义的参数，采用第一性原理计算优化步骤1得到的分子晶体结构数据，得到优化后分子晶体结构数据；
所述的预定义的参数包括平面波截断能、电子能量收敛标准和原子受力收敛标准；
所述优化后分子晶体结构数据包括优化后晶胞长度、优化后晶胞方向、分子晶体内所有原子的优化后分数坐标和优化后分子晶体结构的单点能；
步骤3、设定分子晶体中分子层的压缩步数和压缩百分比，通过设定的压缩步数和压缩百分比确定压缩步长，以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，以压缩步长修改分子晶体压缩过程中分子层内被移动原子的初始分数坐标，得到被移动原子的新分数坐标，以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据；
步骤4、根据得到的每一步压缩后的分子晶体结构数据和预定义的参数，采用第一性原理计算方法确定每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能，以每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能减去步骤2得到的优化后分子晶体结构的单点能得到分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能。
本发明还具有以下技术特征：
具体的，所述预定义的参数的取值范围包括：平面波截断能为500～1000eV，电子能量收敛标准为1.0×10-5～1.0×10-6eV atom-1，原子受力收敛标准为0.01～0.05
更进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、设定分子晶体中分子层的压缩步数N和压缩百分比R，按下式确定压缩步长RS：RS＝R/N；
步骤3.2、以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，当分子晶体中分子层的压缩方向为正晶胞方向时，被移动原子在晶胞正方向的优化后分数坐标加RS，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；
当分子晶体中分子层的压缩方向为负晶胞方向时，被移动原子在晶胞正方向的初始分数坐标减RS，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；
步骤3.3、以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据。
更进一步的，所述压缩百分比的取值范围为10％～50％。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明方法在周期性体系下通过设定分子晶体的压缩过程，得到了分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能，进一步可以得到分子晶体结构的压缩势能随压缩百分比的变化曲线，确定分子晶体结构的压缩势能变化量，最终表征分子形变的难易程度，即压缩势能变化越大，分子晶体结构压缩的难度越大，为分子晶体结构的压缩提供了更为合理简便的判断依据。
(2)本发明方法可以预判未知机械感度的层状堆积含能化合物的机械感度水平，为含能化合物的分子晶体结构设计提供了依据。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2为实施例1中的TATB晶胞沿C轴负方向压缩20％的轨迹图。
图3为实施例4中的MAT晶胞沿C轴正方向压缩20％的轨迹图。
图4为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4最终得到的4种含能化合物沿堆积方向压缩20％的过程中压缩势能的变化曲线。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
分子晶体的压缩：是指晶胞中相邻分子层的间距沿分子层堆积方向减小。
本发明中的“结构优化”是指：利用第一性原理计算的量子力学模拟软件，对分子晶体中原子层的压缩进行几何优化和性质计算，选择相关函数和赝势，选择几何结构优化任务，其中，基于第一性原理计算为本领域技术人员所知的现有算法。
本发明公开了一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、获取层状堆积含能化合物的分子晶体结构数据；
所述分子晶体结构数据包括晶胞长度、晶胞方向和分子晶体内所有原子的初始分数坐标；
步骤2、按照预定义的参数，采用第一性原理计算优化步骤1得到的分子晶体结构数据，得到优化后分子晶体结构数据；
所述的预定义的参数包括平面波截断能、电子能量收敛标准和原子受力收敛标准；
所述预定义的参数的取值范围包括：平面波截断能为500～1000eV，电子能量收敛标准为1.0×10-5～1.0×10-6eV atom-1，原子受力收敛标准为
所述优化后分子晶体结构数据包括优化后晶胞长度、优化后晶胞方向、分子晶体内所有原子的优化后分数坐标和优化后分子晶体结构的单点能；
步骤3、设定分子晶体中分子层的压缩步数和压缩百分比，通过设定的压缩步数和压缩百分比确定压缩步长，以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，以压缩步长修改分子晶体压缩过程中分子层内被移动原子的初始分数坐标，得到被移动原子的新分数坐标，以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据；
具体包括以下步骤：
步骤3.1、设定分子晶体中分子层的压缩步数N和压缩百分比R，按下式确定压缩步长RS：RS＝R/N；
其中，所述压缩百分比的取值范围为10％～50％。
步骤3.2、以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，当分子晶体中分子层的压缩方向为正晶胞方向时，被移动原子在晶胞正方向的优化后分数坐标加RS，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；
当分子晶体中分子层的压缩方向为负晶胞方向时，被移动原子在晶胞正方向的初始分数坐标减RS，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；
步骤3.3、以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据。
步骤4、根据得到的每一步压缩后的分子晶体结构数据和预定义的参数，采用第一性原理计算方法确定每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能，以每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能减去步骤2得到的优化后分子晶体结构的单点能得到分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能。
实施例1
本实施例中的层状堆积含能化合物选用高能钝感“木头”炸药，即1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)，在含能化合物设计中，同时具备给电子基团和吸电子基团的平面型分子结晶过程会受氢键的牵引趋于形成平面堆积，多元环的母体结构间易形成层间强π-π相互作用，TATB结构特征是高能钝感含能化合物结构设计的重要依据。在该化合物的晶胞中有2个平面的TATB分子，TATB分子为平面层状堆积结构。
本实施例中，首先测试了第一性原理计算的关键参数，其中包括，TATB计算的平面波截断能为600eV，范德华弱相互作用矫正方式为DFT-D2方法，交换相关效应通过广义梯度近似(GGA)中的PBE泛函描述，赝势选用的是OTFG超软赝势，具体为C(2s22p2)、H(1s1)、N(2s22p3)和O(2s22p4)，布里渊区划分方式(K-points个数)为7×6×6；
然后按照下述步骤确定TATB分子晶体结构的压缩势能：
步骤1、首先，输出TATB分子晶体的晶体结构信息文件，从得到的晶体结构信息文件中获取TATB分子晶体结构数据，分子晶体结构数据包括TATB的晶胞长度、晶胞方向和TATB分子晶体内所有原子的初始分数坐标；
步骤2、按照预定义的参数，采用第一性原理计算优化步骤1得到的分子晶体结构数据，得到优化后分子晶体结构数据；并将优化后的结构输出为POSCAR文件；
预定义的参数包括：平面波截断能600eV、电子能量收敛标准1.0×10-6eVatom-1、原子受力收敛标准
优化后分子晶体结构数据包括优化后TATB晶胞长度、优化后晶胞方向、分子晶体内所有原子的优化后分数坐标和优化后分子晶体结构的单点能；
步骤3、设定分子晶体中分子层的压缩步数为10步，压缩百分比为20％，以设定的压缩步数和压缩百分比计算得到压缩步长为2％，以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，以压缩步长修改分子晶体压缩过程中分子层内被移动原子的初始分数坐标，其中，TATB分子晶体中的晶胞方向为晶胞C轴方向，压缩方向为晶胞C轴负方向，因此，TATB分子层中被移动原子在晶胞正方向的初始分数坐标减2％，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据；
步骤4、根据得到的每一步压缩后的分子晶体结构数据和预定义的参数，采用第一性原理计算方法确定每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能，以每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能减去步骤2得到的优化后分子晶体结构的单点能得到分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能。
然后利用步骤4得到的分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能，绘制分子晶体结构的压缩势能随压缩百分比的变化曲线。
TATB晶胞中分子层沿C轴压缩20％的过程如图2所示。
由图4可知，TATB晶胞压缩20％晶胞长度时能量升高86eV，说明TATB晶胞中分子层极难被压缩，这是受分子层间强π-π相互作用影响。TATB低机械感度可能是强π-π相互作用缓冲刺激能量，实验测得TATB的撞击感度为50J，摩擦感度大约360N。
实施例2
本实施例选用典型的高能钝感炸药1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)，晶胞中包含4个平面的FOX-7分子，FOX-7分子为波浪层状堆积。
FOX-7分子晶体中分子层堆积方向为晶胞B轴方向，压缩方向为晶胞B轴正方向，因此，FOX-7分子层中被移动的原子在晶胞正方向的初始分数坐标加2％，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据，最终得到分子晶体结构的压缩势能，然后绘制分子晶体结构的压缩势能随压缩百分比的变化曲线。
由图4可知，FOX-7晶胞压缩20％晶胞长度时能量升高25eV，说明FOX-7晶胞较难被压缩，这也是受分子层间强π-π相互作用影响。但相比于实施例1中的TATB晶胞，FOX-7晶胞更容易被压缩。
实施例3
本实施例选用新型的安全起爆药硝酸1,5-二氨基四唑合亚铜([Cu(DAT)3]NO3，CDN)，晶胞中包含2个平面的CDN分子，CDN分子为平面层状堆积。
CDN分子晶体中分子层堆积方向为晶胞C轴方向，压缩方向为晶胞C轴正方向，被移动的CDN分子层中原子在晶胞正方向的初始分数坐标加2％，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；然后绘制分子晶体结构的压缩势能随压缩百分比的变化曲线。
由图4可知，CDN晶胞压缩20％晶胞长度时能量升高6eV。说明CDN晶胞极易压缩，这是由其分子层间弱π-π相互作用导致。因此可以推测，CDN机械感度高于TATB和FOX-7，实验测得CDN的撞击感度为1.5J，摩擦感度为84N。证明本方法得到的结论正确。
实施例4
本实施例选用的是常用的高氮含能有机配体双四唑甲烷(MAT)的晶胞，该晶胞中包含8个非平面的MAT分子，2个MAT分子之间会形成1个分子层，分子层为平面层状堆积。图2是MAT晶胞中分子层沿C轴压缩20％的过程示意图。
MAT分子晶体中分子层堆积方向为晶胞C轴方向，压缩方向为晶胞C轴正方向，被移动的MAT分子层中原子在晶胞正方向的初始分数坐标加2％，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标，然后绘制分子晶体结构的压缩势能随压缩百分比的变化曲线。
MAT分子晶体沿晶胞C轴正方向压缩20％的过程如图3所示。
由图4可知，MAT晶胞的压缩过程中所需的能量大于TATB，压缩20％晶胞长度时能量升高超过90eV。说明MAT晶胞中分子层极难压缩，因此机械感度比TATB更低，符合作为富氮含能配体的基本要求。
采用本发明方法可以通过对比已知机械感度的典型含能化合物分子晶体的压缩势能，预判未知机械感度的含能化合物的机械感度水平，判断标准为：含能化合物分子晶体压缩势能越大，机械感度越低；反之亦然。
本发明方法用于定性研究层状堆积的含能化合物分子晶体机械感度高效、便捷和可靠的方法，通过对比已知机械感度的化合物的压缩势能，预测预合成物质的机械感度水平。
Claims (3)
1.一种层状堆积含能化合物分子晶体压缩势能的确定方法，所述分子晶体压缩势能用于表征分子形变的难易程度，所述分子晶体压缩势能用于表征分子形变的难易程度，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、获取层状堆积含能化合物的分子晶体结构数据；
所述分子晶体结构数据包括晶胞长度、晶胞方向和分子晶体内所有原子的初始分数坐标；
步骤2、按照预定义的参数，采用第一性原理计算优化步骤1得到的分子晶体结构数据，得到优化后分子晶体结构数据；
所述的预定义的参数包括平面波截断能、电子能量收敛标准和原子受力收敛标准；
所述优化后分子晶体结构数据包括优化后晶胞长度、优化后晶胞方向、分子晶体内所有原子的优化后分数坐标和优化后分子晶体结构的单点能；
步骤3、设定分子晶体中分子层的压缩步数和压缩百分比，通过设定的压缩步数和压缩百分比确定压缩步长，以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，以压缩步长修改分子晶体压缩过程中分子层内被移动原子的初始分数坐标，得到被移动原子的新分数坐标，以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据；
其中，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、设定分子晶体中分子层的压缩步数N和压缩百分比R，按下式确定压缩步长RS：RS＝R/N；
步骤3.2、以优化后的分子晶体结构数据作为初始数据，当分子晶体中分子层的压缩方向为正晶胞方向时，被移动原子在晶胞正方向的优化后分数坐标加RS，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；
当分子晶体中分子层的压缩方向为负晶胞方向时，被移动原子在晶胞正方向的初始分数坐标减RS，其余方向的分数坐标不变，得到被移动原子的新分数坐标；
步骤3.3、以被移动原子的新分数坐标替换被移动原子的优化后分数坐标，得到每一步压缩后的分子晶体结构数据；
步骤4、根据得到的每一步压缩后的分子晶体结构数据和预定义的参数，采用第一性原理计算方法确定每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能，以每一步压缩后得到的分子晶体结构的单点能减去步骤2得到的优化后分子晶体结构的单点能得到分子晶体结构每一步压缩后的压缩势能。
2.如权利要求1所述的层状堆积含能化合物分子晶体的压缩势能研究方法，其特征在于，所述预定义的参数的取值范围包括：平面波截断能为500～1000eV，电子能量收敛标准为1.0×10-5～1.0×10-6eV atom-1，原子受力收敛标准为
3.如权利要求1所述的层状堆积含能化合物分子晶体的压缩势能研究方法，其特征在于，所述压缩百分比的取值范围为10％～50％。
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