[发明专利]基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法

权利要求书

1.基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于分子动力学模拟软件LAMMPS建立不同尺寸和分布情况的石墨烯纳米片-基体平面及其与水的基础模型；

2)基于分子动力学模拟软件LAMMPS对步骤1)中所建立的模型进行初始化准备；

3)基于分子动力学模拟软件LAMMPS对步骤2)中设置好的体系初始状态模型进行动力学保温弛豫；

4)基于分子动力学模拟软件LAMMPS对步骤3)得到的平衡态模型进行动力学降温；

5)通过开源可视化软件对步骤4)中得到的dump文件结果数据进行读取，获得体系实时的坐标原子图像；

6)通过开源可视化软件中的统计模块，导出体系内各结构状态原子的数目，整理文件数据并利用绘图软件绘制统计曲线，得到体系中冰粒子数与温度变化之间的关系图；

7)利用步骤5)和6)得到的结冰温度和结冰始末时间，以及水分子结构状态和冰型，评价图案化表面组态抑制结冰性能的优劣。

2.根据权利要求1所述基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：采用三维周期盒子，首先在XY轴上建立无限长、四个原子层厚度的基体平面，控制石墨烯片尺寸并将其固定于基体平面上，石墨烯片与基体平面间的距离固定，控制石墨烯片在基体平面上的分布是均匀的，固定石墨烯片之间的间距，得到图案化表面；固定整个图案化表面所有原子坐标，在其表面放置水分子，保证水分子与图案化表面保持在截断半径内，并进行能量最小化设置。

3.根据权利要求2所述基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法，其特征在于，所述步骤1)中，建立不同尺寸和分布状态的石墨烯纳米片于基体平面上：基体平面材料元素种类及晶面参数可自行选择；石墨烯片的排列分布是周期性的，根据需求控制其尺寸为2-3nm，在保证结构完整的前提下石墨烯片的长和宽基本一致，石墨烯片间距为2-3nm；此外石墨烯中碳原子与水分子之间的相互作用强度固定为0.13Kcal/mol，而基体平面原子与水分子之间的相互作用强度在0.13-20.00Kcal/mol内选取，从而得到不同的图案化间隙表面能组态。

4.根据权利要求1所述基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法，其特征在于，所述步骤2)中初始化准备的具体步骤为：首先赋予原子质量与粒子初始速度，采用SW粗粒化势函数描述水与基体平面原子及石墨烯中碳原子之间的相互作用，设置整个系统处于290K～298K，选择系综为NVT，积分时间步长自行选定。

5.根据权利要求4所述基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法，其特征在于，所述步骤2)中，参数的初始化设置，基体元素种类和晶体结构能够改变，SW势函数适用于描述粗粒化水分子与基体和石墨烯间的相互作用，具体表现形式为：

式中i、j、k代表三个相互作用的粒子，∈为能量参数，其表征原子之间的相互作用强度；σ为距离参数，表征原子间作用的截断半径，γ表征三体势中的原子间相互作用强度；θ_ijk为i、j、k三个粒子所成的角度，θ_0ijk为水分子的三个原子所成的角度；r表示两原子之间的距离，a为截断半径，其余参数：A_ij、B_ij、λ、p和q均为无量纲常量，其中Φ₂描述二体势能量，Φ₃描述三体势能量，E为系统总能量。

6.根据权利要求1所述基于分子动力学的具有防结冰性能的图案化表面构建方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：在保温状态下，每隔固定时间步设定一个状态点，利用in文件中的thermo命令实时输出每一个状态点下体系的能量、温度、密度、压力、体积和时间进度，信息自动记录于log文件。