[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

说明书

本发明属于材料表面设计技术领域，公开了一种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，本发明方法采用分子动力学理论和模拟计算软件，设计了不同间隙组态的图案化表面与液态水接触的非均匀形核模型，并对表面上水的结冰温度，结冰时间以及冰型结构状态进行仿真计算，选用计算效率更高的水分子势能模型，基于计算结果评价图案化表面组态对于水的非均匀形核结冰抑制性能，继而从分子尺度解释异质表面结冰形核的微观机制，降低了实际试验的资源消耗和试错成本，并为新型图案化防结冰表面设计的实验探索，产品设计和工艺优化提供理论依据。

技术领域

本发明属于材料表面设计技术领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟具有防结冰性能的图案化表面构建方法。

背景技术

水在过冷环境下的结冰是自然界中十分常见的一种现象，但当涉及一些不希望发生结冰的特殊工况，如飞行器、输电设备、船舶以及道路通行等环境时，物体表面的异常结冰会造成严重的经济、能源、安全问题以及环境危害。冰的性能过程复杂多样，从形核到随后的长大再到最后在材料表表面的粘附，最终形成不同的冰晶，这给面对不同结冰情况设计不同的防结冰材料带来了很大的困难。因此研究过冷液滴结冰过程的分子机制、调控基材表面吸附物对冰形核过程的影响趋势，从而拓宽该领域的理论基础和应用基础，在结冰机制探索以及实际抑冰应用方面都具有重要意义。

寒冷条件下生存着的耐寒生物体内普遍存在一类功能性蛋白质，称为抗冻蛋白。人们发现这种特殊的生物蛋白质能够特异性地吸附到冰晶表面上，以非依数性的特性来降低冰点温度，阻止冰的继续结晶和生长，从而保证这些耐寒生物在极寒环境中生存。受到抗冻蛋白启发，越来越多研究者根据氧化石墨烯特有的碳骨架结构，开展了氧化石墨烯调控冰晶生长的研究，这些仿抗冻蛋白结构的石墨烯表面存在大量的无机官能团，其在冰晶表面的特异性吸附，阻碍了冰晶在过冷条件下的生长，从而达到抑制结冰的效果。

现有的研究多集中在氧化石墨烯分散溶液中的结冰过程研究，而二维材料石墨烯在固体材料表面上的结冰延迟特性鲜有研究报道，同时现有实验方法可以通过试错法来构建大量不同的图案化表面，分次测试它们的防结冰性能，继而得到影响规律。但实验上的试错需耗费大量的时间成本和材料成本，各种各样的实验环境条件也降低了实验结论的准确性，而且冰在形核发生时的微观机制不能得到很好的解释。通过分子动力学方法，可以从分子层面观察和分析问题，利于捕捉物质之间的微观作用关系，能更接近事物发生的本质原理，而且不需耗费时机的资源，近几十年来逐渐成为一种重要的研究方法，对于水在不同条件下的结冰微观过程研究以及抑冰表面的先进设计是一种必要的方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种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。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

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，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。