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    1. MedeA案例十六:在高分子有機材料中的應用

      2015-09-25 17:00:34 來源:源資科技市場部

      新聞摘要:高分子有機材料廣泛應用在我們生活中的各個領域,比如玻璃,塑料,膠水等,其形態和性質也會各不相同。因此,能夠準確預測有機材料的各種理化性質一直受到關注。其中,簡單烴類化合物常被作為溶劑、燃料等方面應用,實驗數據較為完善,因此特別適合用于驗證模擬方法的可靠性。模擬技術經驗表明,烴類化合物的模擬精確度在一定程度上也代表了相關有機體系的精確度。

      有機材料密度、內聚能、汽化熱的分子動力學研究


      1.研究背景
            高分子有機材料廣泛應用在我們生活中的各個領域,比如玻璃,塑料,膠水等,其形態和性質也會各不相同。因此,能夠準確預測有機材料的各種理化性質一直受到關注。其中,簡單烴類化合物常被作為溶劑、燃料等方面應用,實驗數據較為完善,因此特別適合用于驗證模擬方法的可靠性。模擬技術經驗表明,烴類化合物的模擬精確度在一定程度上也代表了相關有機體系的精確度。
            分子動力學基于牛頓力學的計算原理,計算各原子的受力后,對牛頓方程進行積分,從而得到體系性質隨時間變化的過程,是基于原子尺度的模擬計算。在分子動力學中,用于計算體系能量和力的函數形式稱為力場,力場的精度決定了性質模擬的精確度。采用合適的力場,分子動力學模擬就能夠得到高精度的結果。通常來說,模擬與實驗的結果吻合度相當高,常在1% 以內?,F代的有機物力場幾乎覆蓋了所有常見分子體系,并具有高度的適用性。本案例以直鏈烴化合物為例,詳細介紹了的有機液體模型構建、分子動力學計算過程以及詳細的結果分析。


      2.有機材料模型
            在本案例中,作者通過MedeA-Polymer Builder建模工具,從標準重復單元結構數據庫中選擇了烴類化合物單體(圖1(a))。然后,通過MedeA-Amorphous Materials Builder建模工具創建了凝聚態高分子模型(圖1(b))。


      圖1 (a) 烴類化合物單體結構(b)聚合物模型結構


      3.選擇力場
            采用MedeA-LAMMPS提供的力場,可以確定高分子聚合物的原子類型和電荷類型。其中,力場原子類型可以根據標準模板自動指定。MedeA-LAMMPS免費提供了多種廣泛使用的力場。本案例使用的適用于有機烴類物質的PCFF+力場是在PCFF力場基礎上進行了精修,所用方法與早期開發的COMPASS力場類似。


      4. 模擬過程以及計算參數選擇
            通過MedeA-Polymer Builder構造出的正己烷聚合物的模型,可以用MedeA-LAMMPS進行NPT系綜下的分子動力學計算。在計算過程中,作者評估了不同性質計算對模型大小和模擬時長的敏感性,然后再確定了優質模擬體系大小和時長。圖2中,MedeA提供的Flowchart流程圖功能,極大地方便了分子動力學模擬的過程。隨后,作者使用相同方法研究從正戊烷到正二十烷所有直鏈烴的分子動力學過程。

      圖2. MedeA-LAMMPS 模擬凝聚相烴類化合物的流程圖第一個NPT步驟在100 ps時間內,外壓從高壓減小至設定壓力P2,第二個NPT步驟則將壓力恒定在P2 = 1 atm下

        圖3給出了正己烷密度隨體系大?。╝)和模擬時長(b)的變化關系,不確定度可以由模擬過程的漲落給出。很明顯,對于正己烷來說,包含216個分子的模型和200ps的時長能夠很好地描述體系的密度這一性質。經驗表明,對于絕大多數體系來說,3500個原子的體系大小與200ps的NPT時長可以給出足夠好的結果。實驗上正己烷在298.15K下的密度是0.6548g/cm3,模擬結果得到0.6547g/cm3,模擬值僅比實驗值低0.02%。

      圖 3正己烷密度的計算結果(25°C,1 atm)隨(a)體系大?。ǚ肿訑禐閚3)(b)模擬時長(ps) 對于正己烷,216個分子(n=6)、200ps時長即可得到收斂結果


      5. 烴類性質計算
            采用MedeA-LAMMPS的流程圖方法可以計算氣體、液體、固體的分子動力學過程。MedeA中的流程圖可保存,可重復使用,這便于將一套完整、類似的模擬過程應用與不同的體系。表1為不同碳數的烷烴在25°C、1atm下的密度(ρ)、內聚能密度(CED)和氣化熱數值(ΔHvap)。 PCFF+力場給出的密度數據相對實驗值的偏差在0.5%以內;表1中也列出了內聚能密度(CED),實驗上的氣化熱與內聚能密度密切相關,使用PCFF+力場的計算數據與實驗值偏差小于1%。 PCFF+給出密度和氣化熱的平均絕對誤差分別為0.23%和0.28%,使用PCFF+比COMPASS力場得到了更準確的結果。

      表1 計算得到的烷烴在25°C、1atm下的密度(ρ)、內聚能密度和氣化熱。Δρ%和ΔΔHvap%為實驗和計算值的偏差。

        表1的結果顯示烴類化合物的性質計算可以得到與實驗數值吻合的密度、內聚能密度和氣化熱。很多其他理化性質例如熱導率、粘度、密度隨壓力的變化函數等也可以得到,而且模擬得到的結果與實驗符合得很好。此外,小分子(少于15個碳原子)擴散性質也可以用類似方法得到,相應的自擴散系數可以直接用分子動力學方法給出。分子模擬在材料性質預測上的成功結果有效地幫助了實驗上對各種材料的初步虛擬篩選,從而加快實驗上的材料合成。


      6. 總結與展望
            通過分子動力學,可以有效地進行高分子有機材料的性質模擬。分子動力學過程軌跡通常在納秒尺度,因此常常用于模擬緩慢的動態過程,例如高分子體系以及大分子體系的擴散等,難度較大,而且研究體系的大小也通常限制在幾千個原子之內。然而,隨著計算性能的提升,對于體系尺度的限制也在被逐步打破。MedeA-LAMMPS可以很方便的進行大規模的并行計算,隨著超級計算機的發展,分子動力學模擬的時間尺度逐漸進入微秒級別,體系大小也進入上百萬個乃至幾十億個原子。事實上,只要采用合理的方法和足夠的計算資源,分子動力學在預測與研究有機材料的性質等方面將會起到越來越重要的作用!


      參考文獻:
      H. Sun, S. J. Mumby, J.R. Maple, A. T. Hagler, J. Phys. Chem. 99, 5873 (1995)
      H. Sun and D. Rigby, Spectrochimica Acta A153, 1301 (1997)
      D. Rigby, H. Sun, B.E. Eichinger, Polymer International 44, 311 (1997)
      H. Sun, J. Phys. Chem. B102, 7338 (1998)
      H. Sun, P. Ren, J.R. Fried, Comput. Theor. Polymer Sci. 8, 229 (1998)
      S. Plimpton J. Comp. Phys. 117, 1 (1995); LAMMPS官網: http://lammps.sandia.gov/
      F. Abraham., R. Walkup., H. Gao., M. Duchaineau., T. D. De La Rubia., M. Seager. Proc. Natl. Acad. Sci. 99, 5783 (2002)
      M.L. Klein, W. Shinoda, Science 321, 798 (2008)


      使用MedeA模塊: 
      Welcome to MedeA Bundle
      MedeA-Amorphous Materials Builder
      MedeA-LAMMPS
      MedeA-LAMMPS-CED

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