[发明专利]基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法

权利要求书

1.基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将化学位的统计热力学表达式分解为理想和超额两部分贡献：

其中k_B是玻尔兹曼常数，Λ是粒子的德布罗意波长，V和N分别是体系的体积和粒子数，Z_N+1和Z_N分别是(N+1)个粒子和N个粒子体系的构型积分；

结合分步增长模型，即假设一个(n+1)聚体是由一个n聚体与一个单体相结合产生，在平衡状态下，有如下关系：

μ_n+1-μ_n-μ₁＝0

得到一个递归模型：

通过分子动力学模拟计算的物理量分别是V⁽ⁿ⁾以及指数项中的超额化学势；其中V⁽ⁿ⁾，即n聚体的占据体积的计算方法是根据胶束整体上呈球形分布的假设，结合从分子动力学模拟的轨迹文件中统计得到单个胶束的回旋半径尺寸通过简单的几何运算得出；

通过分子动力学模拟计算得到占据体积以及不同尺寸胶束的化学位后，采用所述述递归模型将(n+1)聚体的浓度表达成了单体和n聚体浓度的解析函数。于是若以单体浓度ρ₁为起点，利用该递归方程可以依次计算出不同尺寸的n聚体的浓度，n＝2,3...，从而推导得出CMC大小。

2.根据权利要求1所述的基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法，其特征在于，所述的递归模型中，指数项中超额化学势，采用热力学积分方法，通过计算在单分子溶液体系和单胶束溶液体系中分别消去一个表面活性剂分子的自由能变化得到；

表面活性剂单分子的化学位采用极稀溶液模型计算得到；

单体在溶液中的化学位只需计算一次，而针对表面活性剂分子在不同尺寸胶束中的化学位，分别选择了聚集度n＝1,5,10,20,30,40,50,60,80,100的胶束作为模拟和计算对象，然后通过样条插值得到所有尺寸范围内的化学位大小。

3.根据权利要求2所述的基于从头算模型预测表面活性剂临界胶束浓度的方法，其特征在于，

所述的热力学积分方法，通过修改哈密顿量模拟体系的不同状态：

H(λ)＝H₀+λ(H₁-H₀)

H₀和H₁分别代表始态终态的哈密顿量，而λ是介于0到1之间的耦合常数；始态与终态之间的自由能变是通过对耦合常数的积分得到的：

由于在λ＝0时，被消分子与环境相互作用趋近于0，采用了软核模型以减少采样误差；针对每个体系，选择19个λ点，即0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.55,0.6,0.62,0.65,0.68,0.7,0.72,0.75,0.8,0.85,0.9,0.95,1.0；为了提高计算精度，在自由能变较大的区间，λ＝0.6-0.75，加入了更多的λ点；

针对每个窗口，使用巨正则系综，在298K和一个大气压的条件下进行分子动力学模拟；温度和压强通过Nosé-Hoover方法来控制，其中时间常数分别使用100fs和1000fs；范德华力的截断距离为1.5nm，不包含长程校正；首先进行10ns的MD模拟使体系达到平衡，在随后的10ns内进行数据采集；在λ点的密集区域，数据采集时间加倍，以减少误差；每个λ点的标准误差σ_sim(λ)是通过块平均的方法计算得的，其中每个点使用四个数据块。