一種利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中相互作用的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中相互作用的方法，包括以下步驟：構(gòu)建水環(huán)境中納米材料與環(huán)境本底納米污染物的幾何模型，并賦予其物理意義；采用能量最小化方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加真實(shí)；在與真實(shí)環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，得到各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件；通過模擬所得到的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件，研究納米材料與環(huán)境本底納米污染物相互作用的動(dòng)力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。本發(fā)明在分子原子水平上從納米材料與環(huán)境本底納米污染物相互作用的角度去定量分析了納米污染物在水環(huán)境中的協(xié)同污染效應(yīng)，為水環(huán)境生態(tài)安全性保障和納米科技可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
【專利說明】一種利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水 環(huán)境中相互作用的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中相 互作用的方法，尤其涉及一種利用LAMMPS和VMD及0VIT0軟件研究納米物質(zhì)在水環(huán)境中相 互作用的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著納米科技的發(fā)展，大量納米材料會(huì)直接或間接進(jìn)入水環(huán)境系統(tǒng)，與環(huán)境本底 納米污染物相互作用。由于納米污染物特異理化性質(zhì)（小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效 應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)），納米材料與環(huán)境本底納米污染物結(jié)合體的潛在危害對(duì)水環(huán)境安 全提出了新的挑戰(zhàn)。為了確保納米技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展的有利工具而非環(huán)境的負(fù)擔(dān)，研究 納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中的相互作用機(jī)制尤為迫切。分子動(dòng)力學(xué)模擬是 從原子分子水平探索物質(zhì)微觀作用本質(zhì)的有效手段，彌補(bǔ)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能從原子分子 水平上，定量揭示水環(huán)境中納米物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化特征及相互作用機(jī)理的不足。為水環(huán)境生態(tài) 安全性的保障和納米技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種利用LAMMPS計(jì)算軟件和VMD及0VIT0分 析軟件在計(jì)算服務(wù)器上模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中相互作用的方法，從原子分子水平上定量 分析納米污染物在水環(huán)境中的協(xié)同污染效應(yīng)，為水環(huán)境生態(tài)安全性保障和納米科技可持續(xù) 發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中相互作用的方法，包 括以下步驟： 步驟一、構(gòu)建水環(huán)境中納米材料與環(huán)境本底納米污染物的幾何模型，并賦予其物理意 義； 步驟二、采用能量最小化方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加真實(shí)可靠； 步驟三、參考實(shí)驗(yàn)研究，在與真實(shí)環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì) 算，得到各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件。
[0005] 步驟四、通過模擬所得到的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件考察納米材料與環(huán)境本 底納米污染物相互作用的動(dòng)力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。
[0006] 本發(fā)明針對(duì)天然水環(huán)境中典型納米材料與環(huán)境本底納米污染物，將分子動(dòng)力學(xué)模 擬同實(shí)驗(yàn)研究、理論模型結(jié)合，研究納米材料與環(huán)境本底納米污染物的相互作用機(jī)理，從本 質(zhì)上考察了納米污染物在水環(huán)境中的協(xié)同污染效應(yīng)，為水環(huán)境生態(tài)安全性保障和納米科技 可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
[0007] 利用本發(fā)明所述的方法進(jìn)行納米材料同環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中相互作 用的模擬與傳統(tǒng)方法相比，具有以下顯著的優(yōu)越性： (1) 可以在分子原子水平上研究納米材料同環(huán)境本底納米污染物的相互作用，以及在 這個(gè)過程中水分子及離子所起的作用； (2) 可以計(jì)算納米材料同環(huán)境本底納米污染物相互作用的能量，從能量的角度來研究 相互作用； (3) 在原子分子水平上直觀形象的理解納米材料同環(huán)境本底納米污染物的相互作用； (4) 此研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可在水處理領(lǐng)域及與納米溶液相關(guān)的生命科學(xué)、物理化學(xué)等 領(lǐng)域得到應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為t=l ns時(shí)納米二氧化鈦顆粒與TNB及離子的相對(duì)位移快照?qǐng)D。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0010]

【具體實(shí)施方式】一：本實(shí)施方式利用LAMMPS計(jì)算軟件（http://lammps. sandia. gov/)和 VMD (http://www. ks. uiuc. edu/Research/vmd/)及 0VIT0 (http://www. ovito. 〇rg/)分析軟件在計(jì)算服務(wù)器上模擬納米物質(zhì)在水環(huán)境中相互作用，主要包括以下幾個(gè)方 面： 一、 構(gòu)建水環(huán)境中納米材料與環(huán)境本底納米污染物的幾何模型，并賦予其物理意義； 二、 采用能量最小化方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加真實(shí)可靠； 三、 參考實(shí)驗(yàn)研究，在與真實(shí)環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，得 到各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件； 四、 通過模擬所得到的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件，考察納米材料與環(huán)境本底納米 污染物相互作用的動(dòng)力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。
[0011] 具體步驟如下： (1)通過Materials studio的Materials Visualizer模塊構(gòu)建納米材料的幾何模型 及環(huán)境本底納米污染物模型，不同納米物質(zhì)幾何模型不同，金屬納米物質(zhì)通常構(gòu)建為納米 顆粒，并根據(jù)所研究的水溶液中pH值的不同，在納米材料表面構(gòu)建不同數(shù)目的羥基。
[0012] (2)自編程序構(gòu)建大小合適的正方體水盒子，將兩種納米物質(zhì)平行置于水盒子中 央，將與納米材料及環(huán)境本底納米污染物所有原子重疊以及距離上述兩種納米物質(zhì)表面原 子3 A內(nèi)的水分子刪除。并在水盒子中放置相應(yīng)數(shù)目的陰離子和陽離子(離子強(qiáng)度可根據(jù)實(shí) 際情況調(diào)整)，同樣將與離子重疊以及距離離子3A內(nèi)的水分子刪掉。整個(gè)系統(tǒng)的電荷必須 保持中性。
[0013] (3)兩種納米物質(zhì)分別采用最能精確描述其物理化學(xué)特征的力場(chǎng)，水分子采用 TIP3P力場(chǎng)，離子只考慮靜電作用。物質(zhì)之間的相互作用參數(shù)從可信的科學(xué)文獻(xiàn)上獲得。納 米物質(zhì)內(nèi)部原子、水分子及離子的電荷采用可信的科學(xué)文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)。納米物質(zhì)表面原子 電荷米用MUSIC (multi site complexation)模型計(jì)算得到。
[0014] (4)利用LAMMPS軟件，采用Conjugate Gradient (CG)算法，在周期性邊界條件下 對(duì)步驟（2)的納米水溶液系統(tǒng)進(jìn)行能量最小化處理。在此過程中，每lfs計(jì)算一次以各原 子為球心，半徑為12A的球形空間內(nèi)的其它原子對(duì)該原子的范德華力及電場(chǎng)力。
[0015] (5)上述過程之后，依然采用與步驟（4)中相同的力場(chǎng)、周期性邊界條件、 時(shí)間步長(zhǎng)、范德華力和電場(chǎng)力計(jì)算方法，采用高斯分布對(duì)所有原子速度初始化，使用 Nose-Hoover控溫方法，使系統(tǒng)逐漸升溫，并控制在300K。采用PPPM (particle-particle particle-mesh)方法計(jì)算長(zhǎng)程庫倫作用力。對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行數(shù)納秒的分子動(dòng)力學(xué)模擬，得 到該過程中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件(命名為heteroaggregation, xyz)及相關(guān)計(jì)算文件(相 互作用能文件、相互作用力文件、徑向分布函數(shù)文件、均方位移文件和相互間距文件)。
[0016] (6)將計(jì)算結(jié)果heteroaggregation· xyz載入VMD及0VIT0軟件觀察所有原子的 運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0017] (7)根據(jù)所有原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件，做出快照?qǐng)D反映納米材料與 環(huán)境本底納米污染物隨著時(shí)間的軌跡演化圖，計(jì)算納米材料與環(huán)境本底納米污染物之間的 相互作用能及環(huán)境本底納米污染物與納米材料的徑向分布函數(shù)，考察環(huán)境本底納米污染物 與納米材料之間的相互作用機(jī)理，同時(shí)計(jì)算離子與納米材料及環(huán)境本底納米污染物之間的 徑向分布函數(shù)，分析離子對(duì)于納米材料及環(huán)境本底納米污染物之間相互作用的影響。
[0018] (8)通過以上分析，確定納米材料與環(huán)境本底納米污染物相互作用的關(guān)鍵部分。
[0019]

【具體實(shí)施方式】二：本實(shí)施方式以納米二氧化鈦顆粒與天然有機(jī)物在水中相互作用 為例，具體步驟如下： (1)通過Materials studio的Materials Visualizer模塊構(gòu)建晶紅石型二氧化鈦的 超大晶胞，并切割為一個(gè)直徑為2nm的納米顆粒，刪除掉表面多余的鈦或氧原子，以保持整 個(gè)顆粒電荷中性。在顆粒的表面添加羥基，不同pH值下，添加的羥基數(shù)目不同。天然有機(jī) 物采用TNB模型。
[0020] (2)構(gòu)建邊長(zhǎng)為90A的正方體水盒子，將所構(gòu)建的納米二氧化鈦顆粒及TNB置于 水盒子中央，并將與納米二氧化鈦顆粒及TNB重疊及距離納米二氧化鈦顆粒及TNB表面原 子3A內(nèi)的水分子刪掉，并在水盒子中隨機(jī)放置一定數(shù)目的鈉離子、鈣離子及氯離子以保持 整個(gè)系統(tǒng)的電中性。同樣將與離子重疊及距離離子3A內(nèi)的水分子刪掉。
[0021] (3)水分子采用TIP3P力場(chǎng)，鈉離子、鈣離子及鎂離子只考慮靜電作用。納米二氧 化鈦顆粒采用Matsui和Akaogi所開發(fā)的Buckingham力場(chǎng)。TNB采用Amber力場(chǎng)。各種原 子之間的相互作用采用取自相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)。
[0022] (4)利用Lammps軟件，采用Conjugate Gradient (CG)算法，在周期性邊界條件下， 對(duì)納米水溶液模擬系統(tǒng)進(jìn)行能量最小化處理。在此過程中，每lfs計(jì)算一次以各原子為球 心，半徑為12A的球形空間內(nèi)的其它原子對(duì)該原子的范德華力及電場(chǎng)力。
[0023] (5)上述過程結(jié)束之后，依然采用與（4)中相同的力場(chǎng)、周期性邊界條件、時(shí)間 步長(zhǎng)、范德華力和電場(chǎng)力計(jì)算方法，采用高斯分布對(duì)所有原子初始速度進(jìn)行分布，使用 Nose-Hoover控溫方法，使系統(tǒng)逐漸升溫，并控制在300K。采用PPPM (particle-particle particle-mesh)方法計(jì)算長(zhǎng)程庫倫作用力。對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行5納秒的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì) 算，得到該過程中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件。
[0024] (6)將計(jì)算結(jié)果heteroaggregation· xyz載入VMD及0VIT0軟件觀察所有原子的 運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0025] (7)分析軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件，可做出快照?qǐng)D反映納米二氧化鈦顆粒與TNB 隨著時(shí)間的軌跡演化圖。計(jì)算納米顆粒與TNB之間的相互作用能及TNB與納米顆粒的徑向 分布函數(shù)，考察TNB與納米顆粒之間的相互作用機(jī)理，同時(shí)計(jì)算離子與納米顆粒及TNB之間 的徑向分布函數(shù)，分析離子對(duì)于納米顆粒及TNB之間相互作用的影響。
[0026] (8)納米二氧化鈦顆粒與TNB及離子的相對(duì)位移如圖1所示。通過以上分析，確定 納米二氧化鈦顆粒與Ν0Μ相互作用的關(guān)鍵部分為二氧化鈦表面原子同Ν0Μ中的羧基和氨基 的相互作用。
【權(quán)利要求】
1. 一種利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境中相互作用的方法， 所述方法步驟如下： 步驟一、構(gòu)建水環(huán)境中納米材料與環(huán)境本底納米污染物的幾何模型，并賦予其物理意 義； 步驟二、采用能量最小化方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化； 步驟三、參考實(shí)驗(yàn)研究，在與真實(shí)環(huán)境一致的熱力學(xué)參數(shù)下，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì) 算，得到各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件； 步驟四、通過模擬所得到的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件，研究納米材料與環(huán)境本底 納米污染物相互作用的動(dòng)力學(xué)特征及關(guān)鍵作用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境 中相互作用的方法，其特征在于所述步驟一的具體步驟如下： (1) 通過Materials studio的Materials Visualizer模塊構(gòu)建納米材料的幾何模型 及環(huán)境本底納米污染物模型，并根據(jù)所研究的水溶液中pH值的不同，在納米材料表面構(gòu)建 不同數(shù)目的羥基； (2) 構(gòu)建正方體水盒子，將兩種納米物質(zhì)平行置于水盒子中央，將與納米材料及環(huán)境本 底納米污染物所有原子重疊以及距離上述兩種納米物質(zhì)表面原子3A內(nèi)的水分子刪掉；并 在水盒子中放置陰離子和陽離子，同樣將與離子重疊以及距離離子3A內(nèi)的水分子刪除掉， 整個(gè)系統(tǒng)的電荷必須保持中性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境 中相互作用的方法，其特征在于所述步驟二的具體步驟如下： 利用LAMMPS軟件，采用Conjugate Gradient算法，在周期性邊界條件下對(duì)納米水溶液 系統(tǒng)進(jìn)行能量最小化處理；在此過程中，每lfs計(jì)算一次以各原子為球心，半徑為12A的球 形空間內(nèi)的其它原子對(duì)該原子的范德華力及電場(chǎng)力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境 中相互作用的方法，其特征在于所述步驟三的具體步驟如下： 采用與步驟二中相同的力場(chǎng)、周期性邊界條件、時(shí)間步長(zhǎng)、范德華力和電場(chǎng)力計(jì)算方 法，采用高斯分布對(duì)所有原子速度初始化，使用Nose-Hoover控溫方法，使系統(tǒng)逐漸升溫， 并控制在300K ;采用PPPM方法計(jì)算長(zhǎng)程庫倫作用力，對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行數(shù)納秒的分子動(dòng)力學(xué) 模擬計(jì)算，得到該過程中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水環(huán)境 中相互作用的方法，其特征在于所述步驟四的具體步驟如下： (1) 將步驟三得到的各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件載入VMD及0VIT0軟件觀察所有原子的運(yùn) 動(dòng)軌跡； (2) 根據(jù)所有原子的運(yùn)動(dòng)軌跡文件及相關(guān)計(jì)算文件，做出快照?qǐng)D反映納米材料與環(huán)境 本底納米污染物隨著時(shí)間的軌跡演化圖，計(jì)算納米材料與環(huán)境本底納米污染物之間的相互 作用能及環(huán)境本底納米污染物與納米材料的徑向分布函數(shù)，考察環(huán)境本底納米污染物與納 米材料之間的相互作用機(jī)理，同時(shí)計(jì)算離子與納米材料及環(huán)境本底納米污染物之間的徑向 分布函數(shù)，分析離子對(duì)于納米材料及環(huán)境本底納米污染物之間相互作用的影響； (3) 通過以上分析，確定納米材料與環(huán)境本底納米污染物相互作用的關(guān)鍵部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的利用計(jì)算機(jī)模擬納米材料與環(huán)境本底納米污染物在水 環(huán)境中相互作用的方法，其特征在于所述相關(guān)計(jì)算文件指相互作用能文件、相互作用力文 件、徑向分布函數(shù)文件、均方位移文件和相互間距文件。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104063561SQ201410329246
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】崔福義, 魯晶, 劉冬梅, 唐歡, 趙英 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)