[发明专利]一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法

摘要

本发明公开了一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，包括以下步骤构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义；采用能量最小化方法对模型进行优化，使其结构更加真实；在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件；通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件，研究纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用。本发明在分子原子水平上从纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的角度去定量分析了纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性保障和纳米科技可持续发展奠定了理论基础。

主权项

一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，所述方法步骤如下：步骤一、构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义，具体步骤如下：（1）通过Materials studio 的Materials Visualizer模块构建纳米材料的几何模型及环境本底纳米污染物模型，并根据所研究的水溶液中pH值的不同，在纳米材料表面构建不同数目的羟基；（2）构建正方体水盒子，将两种纳米物质平行置于水盒子中央，将与纳米材料及环境本底纳米污染物所有原子重叠以及距离上述两种纳米物质表面原子3Å内的水分子删掉；并在水盒子中放置阴离子和阳离子，同样将与离子重叠以及距离离子3Å内的水分子删除掉，整个系统的电荷必须保持中性；步骤二、采用能量最小化方法对模型进行优化，具体步骤如下：利用LAMMPS软件，采用Conjugate Gradient算法，在周期性边界条件下对纳米水溶液系统进行能量最小化处理；在此过程中，每1fs计算一次以各原子为球心，半径为12Å的球形空间内的其它原子对该原子的范德华力及电场力；步骤三、参考实验研究，在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件，所述相关计算文件指相互作用能文件、相互作用力文件、径向分布函数文件、均方位移文件和相互间距文件；步骤四、通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件，研究纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用，具体步骤如下：（1）将步骤三得到的各原子的运动轨迹文件载入VMD及OVITO软件观察所有原子的运动轨迹；（2）根据所有原子的运动轨迹文件及相关计算文件，做出快照图反映纳米材料与环境本底纳米污染物随着时间的轨迹演化图，计算纳米材料与环境本底纳米污染物之间的相互作用能及环境本底纳米污染物与纳米材料的径向分布函数，考察环境本底纳米污染物与纳米材料之间的相互作用机理，同时计算离子与纳米材料及环境本底纳米污染物之间的径向分布函数，分析离子对于纳米材料及环境本底纳米污染物之间相互作用的影响；（3）通过以上分析，确定纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的关键部分。