[发明专利]一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法

说明书

本发明公开了一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，通过利用分子动力学模拟的方法改变硅化程度，以考察硅酸的硅化程度对重金属离子结合作用强度的影响。该方法首先通过模拟固液体系的平衡构型，研究的重金属离子在二氧化硅表面的分布情况，然后利用径向分布函数、均方位移等参数考察硅化程度对硅结合重金属离子强度的影响。

技术领域

本发明涉及对硅结合重金属离子强度影响的模拟技术领域，具体涉及一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法。

背景技术

硅是植物生长的必需元素之一，可以提高植物抗重金属胁迫、疾病、辐射、干旱的能力和农作物的产量，有益于植物的生长。其在土壤中，可调节土壤pH并固定重金属，在进入植物体后，可刺激抗氧化酶的合成并螯合、沉淀和络合重金属。此外，还可改变重金属的赋存形态和调控重金属转运基因的表达进而抑制重金属从根部向植物茎部迁移。因此，硅被制作成硅肥，且广泛应用于水稻种植中。硅在植物体内的赋存形态的转化过程为：植物通过根部吸收硅酸，随后经皮层细胞转运到木质部，最后转移到茎和叶片中，在特化细胞或细胞壁的作用下聚合形成无定形的水合二氧化硅，也称为植物蛋白石或植硅体。植物体内硅酸聚合形成无定型二氧化硅的过程称为硅化过程，硅化过程进行的程度(简称硅化程度)决定了硅酸和无定型二氧化硅的比例。

实验主要探究了在硅对不同种类植物去除重金属的效率、加入硅前后植物不同组织重金属含量、不同种类重金属浓度的影响，以及影响硅减缓重金属毒害的环境因素等。但对于硅化程度对硅结合重金属离子的影响以及哪种形态在固定过程中占主导作用仍不明确；其中硅化过程中硅的两种赋存形态对重金属离子均有一定的结合能力，但是对于不同赋存形态硅对重金属离子的结合机制仍未有明确的结论。因而，从微观角度探明硅化程度对硅结合重金属离子的影响对于调控植物体的硅化程度和提高植物体对重金属离子的结合能力具有重要的意义。然而实验方法很难从微观角度解释作用机理，模拟的方法能够补充实验手段的不足，Jang等[Carbon,2012,50(3):748-760.]利用分子动力学探究了表面氧化程度对乙烯基酯树脂在碳纳米纤维表面分布的影响，通过提取相对浓度分布参数发现表面氧化程度越高，乙烯基酯树脂在碳纳米纤维表面浓度越高，交联程度越高；Hou等[TheJournal of Physical Chemistry C,2017,121(25):13786-13797.]利用分子动力学探究了Na+在硅酸钙毛细管上的迁移，通过均方位移分析发现硅酸钙上的O对Na+的结合作用阻碍Na+的迁移，利用分子动力学分析物质的扩散速率来解释硅酸钙对Na+的吸附机理。鉴于现有技术中对于植物硅肥结合重金属离子的研究很少有考察植物硅化程度的影响，因此行业内急需开发一种考察硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的分子动力学模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，以从微观角度解释硅和重金属离子相互作用的机理，为硅肥在植物硅化界面性质的研究提供一定的理论指导。

其技术解决方案包括：

一种硅化程度对硅结合重金属离子强度影响的模拟方法，包括：

a构建初始模型，

利用Materials Studio 2017 R2软件中的Sketch工具构建硅酸分子、二氧化硅表面、重金属离子、水分子和抗衡离子，改变二氧化硅和硅酸的摩尔比以模拟不同的硅化程度，并对各个分子进行电荷分配和初步优化；

利用Amorphous Cell Construction工具和Build Layers工具构建固液界面模型，并随机向水盒子中加入与重金属离子和与重金属离子等量电荷的抗衡离子，以保持体系的电中性；将优化后的硅酸-重金属离子水盒子对称的放于二氧化硅界面处；

b计算平衡构型，

利用Forcite模块对步骤a的模型进行分子力学优化，再对优化后的模型进行分子动力学模拟，获得平衡构型；

c综合分析，