[发明专利]粗粒化分子动力学/蒙特卡洛模拟方法及质子交换膜材料

说明书

本发明属于分子模拟技术领域，尤其涉及一种粗粒化分子动力学/蒙特卡洛模拟方法及质子交换膜材料，新型质子交换膜材料为聚砜接枝聚乙烯基磷酸(PSU‑g‑PVPA)，疏水的聚砜骨架和亲水侧链使该质子交换膜材料具有亲水‑疏水纳米相分离结构；模拟方法包括：确定新型质子交换膜—聚砜接枝聚乙烯基磷酸的映射方案，构建PSU‑g‑PVPA粗粒化模型；确定溶剂水分子的映射方案，构建水分子粗粒化模型；建立水化PSU‑g‑PVPA体系。本发明克服了粗粒化分子动力学模拟中高分子链的位阻对其所能到达的相空间位置的限制，实现准各态历经，使体系亲水组分和憎水组分能够分别聚集，顺利实现纳米相分离结构。

技术领域

本发明属于分子模拟技术领域，尤其涉及一种粗粒化分子动力学/蒙特卡洛 模拟方法及质子交换膜材料。具体涉及一种分析新型质子交换膜纳米相分离结 构的粗粒化分子动力学/蒙特卡洛模拟研究方法。

背景技术

目前，质子电导率和形状稳定性是保证质子交换膜燃料电池(PEMFCs)稳定 工作的两个核心性能指标。一般地，质子导电率与亲水性相关，形状稳定性与 憎水性相关。在具有纳米相分离结构的质子交换膜中，膜的质子电导率和形状 稳定性分别由质子交换膜中的亲水亚相(hydrophilic subphases)和憎水亚相 (hydrophobic subphases)实现。因此，纳米相分离结构是同时实现良好质子电导 率和形状稳定性的结构基础。

为了合成具有更优性能的质子交换膜材料，必须深入了解质子交换膜的结 构和性质。但是，表征纳米结构的常用实验技术如：透射电子显微镜(TEM)、小 角度x射线和中子散射(SAXS和SANS)以及核磁共振(NMR)，都有一定的的局 限性。随着计算技术的发展，计算模拟在研究分子结构和性质方面起着越来越 重要的作用。利用分子模拟，可以深入理解质子交换膜的纳米相分离结构，解 释质子传导机理，指导相关实验的开展，节省研发时间，降低研发成本。

CGMD方法简化了仿真系统的描述，提高了模拟仿真效率，在同等计算量 下可以研究更大尺度的，更复杂的体系。但是运用CGMD方法模拟具有长链特 性的质子交换膜体系时，需要面临三个挑战：粗粒子的划分、粗粒化力场的构 建、长链聚合物驰豫问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有CGMD模拟技术在模拟高分子聚合物时，粗粒子的不同划分方 法不仅需要匹配不同的力场模型，还会影响模拟系统的大小和精度。但是，分 子的粗粒化划分并没有严格的定义。因此，构建目标分子粗粒化模型时，应该 综合考虑目标分子的结构特征，采取合理的粗粒化方法。

(2)现有CGMD模拟技术在模拟高分子聚合物时，需要构建符合自身实 验方案的粗粒化力场模型。

(3)现有CGMD模拟技术在模拟高分子聚合物时，不能克服高分子链的 位阻对其所能到达的相空间位置的限制。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)不同的粗粒化映射方案，匹配不同的粗粒化力场模型，成功建立粗粒 化力场模型是进行CGMD模拟的基础。采用迭代玻耳兹曼反演法获取粗粒化力 场的方法有其适用性和局限性，通过试错法和综合回归法构建粗粒化力场，能 够使模拟结果与实验值匹配，保证了粗粒化力场的准确性。

(2)为了克服高分子链的位阻对其所能到达的相空间位置的限制，跨越体 系的能量障碍，研究人员多采用高温高压苛刻模拟条件对系统进行模拟。在苛 刻模拟条件下展开的分子动力学模拟与实际实验环境中分子的运动是存在差异 的。

解决以上问题及缺陷的意义为：