CN115132283A - 一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微观纳米材料技术领域，提供了一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，包括，利用PACKMOL软件构建初始模型；ReaxFF势函数用于计算原子之间的相互作用力；设置计算参数，利用LAMMPS软件模拟溶胶凝胶法构建凝胶模型的过程，并输出随时间变化的凝胶结构文件；利用桥接氧原子(BO)的数量表示凝胶的聚合程度；采用MATLAB软件统计分析凝胶在高温阶段的聚合程度并进行拟合，得到凝胶的凝固速率。本发明通过分子动力学模拟方法计算了纳米尺度下材料的凝固速率，能够克服已有实验方法的局限，避免外部环境因素的干扰，提高数据的精度；不仅提高了效率，而且能够极大降低成本。

Description

一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法
技术领域
本发明涉及微观纳米材料技术领域，尤其涉及一种基于分子动力学模拟的凝胶凝固速率获取方法。
背景技术
碱活化材料是一种可替代普通硅酸盐的绿色胶凝材料。其主要利用碱性激发剂和含钙铝硅酸盐原料之间的化学反应。其中碱性激发剂主要为氢氧化钠、硅酸钠等碱性溶液，原料主要为工业生产的副产品如高钙粉煤灰、高炉矿渣等。碱活化材料作为修复防护材料，其冷凝时间是工程应用的关键问题。原料中钙含量的变化能够显著影响材料的冷凝时间，由于碱激发反应过程的快速性和复杂性，实验存在一定的局限性，具体表现在：(1)需要制备纯净的凝胶材料；(2)需要避免周围环境因素的干扰；(3)需要精密的仪器监测凝胶的反应过程；(4)实验成本较高。
发明内容
根据以上实验的局限性，本发明提供了一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其能快速精确地获取不同成分下碱活化材料的凝固速率，并降低了现有技术中成本高、可重复性差、实验流程繁琐等问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，具体包括以下步骤:
步骤S1，建立不同组分凝胶材料的分子动力学初始模型；
步骤S2，转换为数据文件；
步骤S3，编写分子动力学计算文件进行分子动力学计算；
步骤S4，输出分子轨迹文件；
步骤S5，编写后处理脚本；
步骤S6，对输出分子轨迹文件进行分析，绘制桥接氧均一化数量-时间曲线；
步骤S7，拟合曲线得到凝固速率。
进一步地，所述步骤S1中分子动力学初始模型采用PACKMOL软件建立。
进一步地，所述步骤S2中采用VMD软件将模型转换为数据文件，所述数据文件包括原子数目、原子类型数目、晶胞x、y、z方向的坐标值、各类型原子质量、原子ID及该ID原子对应的原子类型和x、y、z三个方向的坐标值。
进一步地，所述步骤S3中编写分子动力学计算文件包括的参数有：边界条件、力场选取、温度、压力、时间步长、控温方式、控压方式、退火速率、弛豫时间。
进一步地，所述步骤S4中输出分子轨迹文件包括时间步，原子数量，晶胞三个方向的最小值和最大值、原子ID及该ID原子对应的原子类型和x、y、z三个方向的坐标值。
进一步地，所述步骤S5中，对步骤四中分子轨迹文件中的数据进行分析，读取分子轨迹文件中的数据，记录每个时间步所对应的晶胞信息和原子信息，并将各类型的原子进行区分；计算每个氧原子、硅原子、铝原子之间的距离并与硅氧键和铝氧键的长度进行对比。
进一步地，所述步骤S5中，若原子之间的距离小于键长则代表两个原子之间互相连接，根据氧原子连接的硅原子和铝原子的个数可将氧原子区分为桥接氧原子和非桥接氧原子，其中桥接氧原子是指连接两个硅原子和铝原子的氧原子，其余为非桥接氧原子。
进一步地，对不同时刻单位数量的硅原子和铝原子下桥接氧原子的数量进行统计分析，并绘制出桥接氧均一化数量随时间变化的曲线即桥接氧均一化数量-时间曲线。
进一步地，所述步骤S7中，拟合函数为一阶指数衰减函数y＝A[1-exp(-kt)]，其中y为桥接氧原子均一化的数量，A为无限大温度下桥接氧原子均一化的数量，k为凝固速率，t为时间。
进一步地，无限大温度下桥接氧原子均一化的数量为高温老化阶段的桥接氧原子均一化的数量。
与现有技术相比，本发明通过分子动力学模拟方法对纳米尺度下凝胶材料的凝固速率进行计算，能够避免已有技术的局限性，解决了实验制备困难、监测困难、成本高的问题。
附图说明
图1为本发明提供的分子动力学模拟的碱活化材料的凝固速率获取方法流程图。
图2为本发明建立的凝胶材料的分子模型图。
图3为高温老化期间桥接氧原子均一化数量随时间的变化曲线。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明的范围。
本发明提供的基于分子动力学模拟的碱活化材料的凝固速率获取方法，如图1所示，包括如下步骤：
第一步，建立凝胶材料分子动力学初始模型(Pdb)文件：
初始的分子模型由NaOH、Al(OH)3、Si(OH)4和Ca(OH)2组成。利用PACKMOL软件向边长为
Figure BDA0003722681220000031
的立方体中随机投放四种氢氧化物分子，并要求原子之间的距离不小于
Figure BDA0003722681220000032
得到凝胶材料初始的分子模型(Pdb)文件。
第二步，将模型文件转换为LAMMPS输入(Data)文件:
利用VMD软件将Pdb文件转化为Charge类型(电荷类型)的Data(数据)文件，Date文件中的参数包括原子数目，原子类型数目，各类型原子质量，晶胞x、y、z方向的坐标值、各类型原子质量、原子ID及该ID原子对应的原子类型和x、y、z三个方向的坐标值。。
第三步，编写分子动力学计算文件：
确定分子动力学模拟所需要的参数，包括常温300K，高温2500K，周期性边界条件，时间步长为0.2fs，原子势函数为反应力场(ReaxFF)，结构常温弛豫所采用的系综分别为NVT(正则系综)和NPT(等温等压系综，常温300K，压强0Bar)，高温老化阶段所采用的系综为NVT(高温2500K)，控温控压方式为Nose-Hoover，退火速率为11K/ps。
第四步，分子动力学计算并输出分子轨迹(Dump)文件，其中如图2所示为某一时刻输出的分子轨迹文件：
采用LAMMPS计算并输出高温老化阶段凝胶结构分子轨迹(Dump)文件，Dump文件中包含的参数有时间步，原子数量，晶胞三个方向的最小值和最大值，原子ID及该ID原子对应的原子类型和x、y、z三个方向的坐标值。
第五步，编写后处理脚本：
对Dump文件中的数据进行分析，利用Matlab软件读取Dump文件中的数据，记录每个时间步所对应的晶胞信息和原子信息，并将各类型的原子进行区分。计算每个氧原子、硅原子、铝原子之间的距离并与硅氧键和铝氧键的长度进行对比。若原子之间的距离小于键长则代表两个原子之间互相连接。根据氧原子连接的硅原子和铝原子的个数可将氧原子区分为桥接氧原子(BO)和非桥接氧原子(NBO)，其中桥接氧原子是指连接两个硅原子和铝原子的氧原子，其余为非桥接氧原子。
第六步，如图3所示，对Dump文件进行处理并绘制桥接氧均一化数量-时间曲线：
对不同时刻单位数量的硅原子和铝原子下桥接氧原子的数量进行统计分析，并绘制出数量随时间变化的曲线，对数据进行拟合得到凝固速率。
第七步，拟合曲线得到凝固速率：
拟合函数为y＝A[1-exp(-kt)]，其中y为桥接氧原子均一化的数量，A为无限大时间下桥接氧原子均一化的数量，k为凝固速率，t为时间。在本例中，凝固速率为34.59347ns-1。由此得到凝胶材料的凝固速率。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立不同组分凝胶材料的分子动力学初始模型；
步骤S2，转换为数据文件；
步骤S3，编写分子动力学计算文件进行分子动力学计算；
步骤S4，输出分子轨迹文件；
步骤S5，编写后处理脚本；
步骤S6，对输出分子轨迹文件进行分析，绘制桥接氧均一化数量-时间曲线；
步骤S7，拟合曲线得到凝固速率。
2.根据权力要求1所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S1中分子动力学初始模型采用PACKMOL软件建立。
3.根据权力要求2所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S2中采用VMD软件将模型转换为数据文件，所述数据文件包括原子数目、原子类型数目、晶胞x、y、z方向的坐标值、各类型原子质量、原子ID及该ID原子对应的原子类型和x、y、z三个方向的坐标值。
4.根据权力要求2所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S3中编写分子动力学计算文件包括的参数有：边界条件、力场选取、温度、压力、时间步长、控温方式、控压方式、退火速率、弛豫时间。
5.根据权力要求2所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S4中输出分子轨迹文件包括时间步，原子数量，晶胞三个方向的最小值和最大值、原子ID及该ID原子对应的原子类型和x、y、z三个方向的坐标值。
6.根据权力要求2所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S5中，对步骤四中分子轨迹文件中的数据进行分析，读取分子轨迹文件中的数据，记录每个时间步所对应的晶胞信息和原子信息，并将各类型的原子进行区分；计算每个氧原子、硅原子、铝原子之间的距离并与硅氧键和铝氧键的长度进行对比。
7.根据权力要求6所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S5中，若原子之间的距离小于键长则代表两个原子之间互相连接，根据氧原子连接的硅原子和铝原子的个数可将氧原子区分为桥接氧原子和非桥接氧原子，其中桥接氧原子是指连接两个硅原子和铝原子的氧原子，其余为非桥接氧原子。
8.根据权力要求7所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：对不同时刻单位数量的硅原子和铝原子下桥接氧原子的数量进行统计分析，并绘制出桥接氧均一化数量随时间变化的曲线即桥接氧均一化数量-时间曲线。
9.根据权力要求6所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：所述步骤S7中，拟合函数为一阶指数衰减函数y＝A[1-exp(-kt)]，其中y为桥接氧原子均一化的数量，A为无限大温度下桥接氧原子均一化的数量，k为凝固速率，t为时间。
10.据权力要求9所述的一种基于分子动力学模拟的碱活化材料凝固速率获取方法，其特征在于：无限大温度下桥接氧原子均一化的数量为高温老化阶段的桥接氧原子均一化的数量。
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