一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型及其建立方法技术

本发明专利技术提出一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型及其建立方法，属于纳米化学计算技术领域；具体是将模型分为了中心珠子簇以及外层柱壳形珠子，排布在两端的最外层珠子为半球形球壳，排布在中间段的最外层珠子为圆柱形壳体排列；在所使用力场中定义两类型珠子，将摩尔质量、势作用参数进行赋值，在中心珠子簇以及最外层珠子的连接上采用键连接，以保证进行分子动力学模拟时可以不变形，不坍缩，保持整体性质不变；整个粗粒化模型只有最外层珠子以及中心珠子簇，大大减少了珠子的数量，可以在保证分子动力学计算的准确性同时大大的降低计算量，提高了计算的速度，避免了算力的浪费。避免了算力的浪费。避免了算力的浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型及其建立方法


[0001]本专利技术属于纳米化学计算领域，具体涉及一种棒状纳米颗粒的处理计算，具体为一种适用于通用力场的棒状纳米颗粒粗粒化模型及其建立方法。

技术介绍

[0002]纳米科学技术诞生于20世纪80年代末期，至今仍在不断完善与发展，其含义是在直接通过在纳米尺度操作和控制原子、分子的排布进而认识和创造新的材料。由于纳米颗粒在电、磁、光、热感特性以及表面稳定性等方面性能明显与通常材料有很大差异，现已被应用在生物、医学、物理、化学、环境、塑料等众多工业领域。
[0003]纳米颗粒的研究可以使用分子动力学进行模拟，分子动力学模拟是在原子、分子水平上求解多体问题的计算机模拟方法，可以预测介观尺度上的材料动力学特征。使用分子动力学数值模拟得到的微观结构、流变学数据以及数据变化的规律可以指导纳米颗粒的工业应用，也可以从理论上分析纳米颗粒的作用机理。由于纳米颗粒具有跨尺度性，要建立通用纳米颗粒模型，即要实现纳米颗粒体系长度尺度归一化和能量尺度归一化。长度尺度归一化，即首先选取体系通用基本粗粒化单元，由基本粗粒化单元构建体系内不同物质。能量尺度归一化，即在长度尺度归一化基础上调用通用力场参数，给同类粗粒化珠子指派同一力势函数。
[0004]研究纳米颗粒在介观尺度的相关作用方式时，纳米颗粒的形状与尺寸是导致不同纳米颗粒作用结果不同的重要因素。纳米颗粒的整体易位率随其大小和形状的不同有很大差异，其中高长宽比的棒状纳米颗粒对环境相应的灵敏度相比球形纳米粒子大幅提高，在成像、生物、医疗、检测等领域中可以发挥出更好的效果。对于棒状纳米颗粒模型的构建，在较大尺寸条件下若使用现有传统力场，存在所需要的珠子个数过多、其大小形状一旦确定很难修改、运算过程中形状难以维持、力场参数设置繁杂等问题，进而造成了人力、算力的严重浪费。现有关于棒状纳米颗粒的模型中珠子数多为几百左右，尺寸大多在2
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4nm之间，无法满足较大尺寸棒状纳米颗粒的研究需要。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种适用于通用力场的棒状纳米颗粒粗粒化模型及其建立方法，使得在建立大粒径棒状纳米颗粒时，大大降低组成棒状纳米颗粒的粗粒化珠子个数，同时满足其动力学性质不变。在简化棒状纳米颗粒建模的同时提高其尺寸通用性和物系通用性，进而提高分子动力学数值模拟的计算速率，解决算力浪费的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0007]一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型，包括位于模型中心若干珠子形成的珠子簇和均匀排布在模型表面上的若干最外层珠子；排布在两端的最外层珠子为半球形球壳，排布在中间段的最外层珠子为圆柱形壳体排列；中心的珠子簇和最外层珠子之间、最外层珠子之间，以及中心的珠子之间均为键连接；最外层珠子的数量根据棒状纳米颗粒粒径的
大小确定，棒状纳米颗粒的质量平均分配给最外层珠子。
[0008]优选的，中心的珠子簇与最外层珠子之间的键长、最外层珠子之间的键长、中心珠子之间的键长均是根据棒状纳米颗粒粒径大小确定。
[0009]优选的，中心珠子的质量忽略不计。
[0010]所述棒状纳米颗粒粗粒化模型的建立方法，包括以下步骤：S1、根据所需棒状纳米颗粒尺寸大小，结合纳米颗粒平均密度，计算所需棒状纳米颗粒的质量。
[0011]S2、根据棒状纳米颗粒粒径大小，确定最外层珠子数量，将所需棒状纳米颗粒的质量平均分配给最外层珠子。
[0012]S3、根据棒状纳米颗粒粒径大小，确定中心珠子簇与最外层珠子之间的键长、最外层珠子之间的键长、中心珠子之间的键长，以及为了维持结构刚性所需要的键能参数。
[0013]S4、在所使用的力场中分别定义中心的珠子以及最外层珠子类型，根据中心的珠子和最外层珠子的摩尔质量大小修改所定义珠子在所使用力场中的各类参数。
[0014]进一步的，步骤S3中所述的键能参数是所使用力场中键合作用键能表达式的键能参数K
r
。
[0015]更进一步，将所使用力场中的键能参数K
r
由一般值按比例增加。
[0016]更进一步，所使用力场中的非键相互作用力参数根据最外层珠子的摩尔质量大小进行修改。
[0017]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：本专利技术提出的适用于通用力场的构建棒状纳米颗粒粗粒化模型及建立方法方法，为体积庞大的棒状纳米颗粒建立粗粒化模型，分为了中心珠子簇以及外层柱壳形珠子，由于在热运动中，一般只考虑纳米粒子表面珠子与外界发生力的相互作用，所以此模型可以保证棒状纳米颗粒整体的动力学性能不变。
[0018]在所用力场中定义两类型珠子，并根据实际应用将摩尔质量、势作用参数进行赋值。在中心珠子簇以及外层柱壳形珠子的连接上，采用了键连接，同时通过建立一系列中心珠子簇，保证了柱状表面珠子总会与中心珠子簇之中某一珠子距离相当，且总可以通过改变中心珠子数量进而控制棒状纳米粒子的长度。
[0019]通过改变键能参数，保证了棒状纳米颗粒的结构刚性，在进行分子动力学模拟时可以不变形、不坍缩、保持整体性质不变。整个粗粒化模型只有最外层珠子以及中心珠子簇，大大减少了珠子的数量，可以在保证分子动力学计算的准确性同时大大的降低计算量，提高了计算的速度，避免了算力的浪费。
附图说明
[0020]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合以下附图进行说明：图1为棒状纳米颗粒粗粒化模型在可视化软件OVITO中分别沿轴向和切线方向的构型视图，其中（a）为沿轴向的构型视图；（b）为沿切线方向的构型视图；图2为图1的剖面图，其中（a）为沿轴向构型的剖面图；（b）为沿切线方向构型的剖面图；
图3为棒状纳米粒子粗粒化模型沿轴向的剖面示意图；图4为棒状纳米粒子粗粒化模型沿切线方向的剖面示意图；其中SP为表面珠子；CP为中心珠子；SB为短键；LB为长键。
具体实施方式
[0021]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合实施例及附图详细说明本专利技术的技术方案，但保护范围不被此限制。
[0022]一种适用于通用力场的棒状纳米颗粒粗粒化模型建立方法，具体包括以下步骤：S1、计算出模型棒状纳米颗粒粗粒的质量：本例采用长8nm，直径4nm的棒状金纳米颗粒进行模型构型，所采用力场为Martini粗粒化力场，可以计算出棒状金纳米颗粒的体积是8.37810
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20 cm3，金的平均密度为19.32 g/cm3，由此可以得到，所构建的一个棒状金纳米颗粒模型的质量约为1.61810
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18 g。
[0023]S2、确定珠子数量，平均分配金的质量：将长8nm，直径4nm的棒状金纳米颗粒的粗粒化模型分为两类型珠子，其中第一类为分为中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型，其特征在于，包括位于模型中心若干珠子形成的珠子簇和均匀排布在模型表面上的若干最外层珠子；排布在两端的最外层珠子为半球形球壳，排布在中间段的最外层珠子为圆柱形壳体排列；中心的珠子簇和最外层珠子之间、最外层珠子之间，以及中心的珠子之间均为键连接；最外层珠子的数量根据棒状纳米颗粒粒径的大小确定，棒状纳米颗粒的质量平均分配给最外层珠子。2.根据权利要求1所述的一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型，其特征在于，中心的珠子簇与最外层珠子之间的键长、最外层珠子之间的键长、中心珠子之间的键长均是根据棒状纳米颗粒粒径大小确定。3.根据权利要求1所述的一种通用力场棒状纳米颗粒粗粒化模型，其特征在于，中心珠子的质量忽略不计。4.如权利要求1
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3任意一项所述棒状纳米颗粒粗粒化模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据所需棒状纳米颗粒尺寸大小，结合纳米颗粒平均密度，计算所需棒状纳米颗粒的质量；S2、根据棒状纳米颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐娜，吕耀东，张玮，刘子璐，张瑾渊，贺文云，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：