[发明专利]一种利用计算机模拟构建氧化石墨烯与聚碳化二亚胺交联结构模型的方法

摘要

本发明公开一种利用计算机模拟构建氧化石墨烯与聚碳化二亚胺交联结构模型的方法。该方法首先通过Materials Studio软件构建氧化石墨烯分子与聚碳化二亚胺分子的混合结构，然后通过能量最小化和分子动力学运算，利用xLink交联程序进行结构交联，最终得到交联结构模型。本发明的模拟构建氧化石墨烯与聚碳化二亚胺交联结构模型的方法具有模拟时间短的特点，所有运算均可并行计算，视并行核数和体系大小不同，最快几个小时便可完成，从而为复杂交联体系的计算模拟提供了一种可靠的结构建模方法。

主权项

1.一种利用计算机模拟构建氧化石墨烯与聚碳化二亚胺交联结构模型的方法，其特征在于具体步骤包括：(1)、利用MS软件中的Visualizer模块分别构建氧化石墨烯分子、聚碳化二亚胺分子的结构A1、B1；(2)、利用MS软件中的Forcite模块进行能量最小化运算；利用MS软件中的Forcite模块分别对步骤(1)所得的两个结构A1、B1进行能量最小化运算，在Forcite模块中选用Smart Minimize方法、COMPASS分子力场、Atom based非键作用求和方法，分别得到能量最优的结构A2、B2；(3)、利用MS软件中的Amorphous Cell模块进行结构混合运算；利用MS软件中的Amorphous Cell模块对步骤(2)所得的两个结构A2、B2进行结构混合运算，其中分子力场选用COMPASS力场，库伦作用求和选用Ewald方法，范德华作用求和选用Atom based方法，得到混合结构C1；混合结构运算中，氧化石墨烯分子、聚碳化二亚胺分子的加载数至少各设为1个，控制混合结构中总原子数不超过5000个原子；(4)、利用MS软件中的Forcite模块进行能量最小化和分子动力学弛豫的运算；利用MS软件中的Forcite模块对步骤(3)所得的混合结构文件C1进行能量最小化和分子动力学弛豫的运算；其中进行能量最小化运算时，选用Smart Minimize方法、COMPASS分子力场、Ewald非键作用求和方法；进行分子动力学弛豫运算时，选用COMPASS分子力场、NPT系综、Ewald非键作用求和方法，温度选用200‑500K，压力选用1大气压即1.0×10‑4GPa，时间步长选用1fs，总模拟时间选用500‑1500ps，轨迹输出间隔选用1000步；(5)、利用xLink程序“虚拟交联反应”运算；对步骤(4)运算所得的结构进行“虚拟交联反应”运算，步骤如下：交联反应距离初始值设定为仅运行本步骤(5)时，此交联反应距离不做改变；经后续步骤(7)运算判断后，需要增大交联反应距离时，每次增大交联反应距离的最大值设定为利用MS软件Visualizer模块的Measure工具测量步骤(4)运算所得的结构中任意一对C‑N原子对中C、N原子之间的距离D；其中所述的C‑N原子对是指由氧化石墨烯分子中羰基基团中的C原子与聚碳化二亚胺分子中N＝C＝N基团中的N原子形成的原子对；当C、N原子之间的距离D小于或等于当前的交联反应距离时，发生交联反应，构建交联结构；所述的构建交联结构，即利用MS软件Visualizer模块将上述发生交联反应的结构中对应的羰基基团中的C原子与N＝C＝N基团中的N原子直接形成单键，将羰基基团中的C原子上羟基基团中的O原子与N＝C＝N基团中的C原子直接形成双键，然后根据各原子配位情况进行H原子饱和；当C、N原子之间的距离D大于当前的交联反应距离时，不发生交联反应，不进行操作；再对另外一对C‑N原子对运行本步骤(5)，直至步骤(4)运算所得的结构中所有的C‑N原子对均已判断是否发生交联反应，且所有符合上述发生交联反应条件的C‑N原子对均已构建交联结构，得到交联结构D1；(6)、利用MS软件中的Forcite模块进行温度循环的分子动力学弛豫运算；利用MS软件中的Forcite模块对步骤(5)“虚拟交联反应”运算所得的交联结构D1进行温度循环的分子动力学弛豫运算，Forcite模块中力场选用COMPASS分子力场，系综选用NVT系综，温度循环范围选用300K‑(500‑800K)‑300K，温度变化量选用50‑100K，每个温度下分子动力学运算的总模拟时间均选用300‑1000ps；每次分子动力学运算均以上一个分子动力学运算后的结果作为初始结构，每次分子动力学运算的总模拟时间均相同，直至以上温度由300K升温到500‑800K后再降温到300K的分子动力学弛豫运算完成，结束温度循环的分子动力学弛豫运算，计算交联结构D1的反应度；所述交联结构D1的反应度为交联结构D1中所用的氧化石墨烯分子中已经发生交联反应的羰基基团的个数与交联结构D1中所用的氧化石墨烯分子中所有羰基基团个数的比值；(7)、步骤(6)运算所得交联结构D1的反应度与预先设定的反应度的目标值进行比较；所述反应度的目标值，根据实际需要在步骤(5)的虚拟交联反应程序中进行预先设定，最大值为100％；当步骤(6)运算所得交联结构D1的反应度达到预先设定的反应度的目标值，此时的交联结构D1即为满足要求的氧化石墨烯与聚碳化二亚胺交联结构；当步骤(6)运算所得交联结构D1的反应度未达到预先设定的反应度的目标值，且当前交联反应距离小于则将当前交联反应距离增大然后重新进行执行步骤(5)‑(7)，直至交联结构D1的反应度达到预先设定的反应度的目标值；当步骤(6)运算所得交联结构D1的反应度未达到预先设定的反应度的目标值，且当前交联反应距离达到交联反应距离最大值运算暂停，提示交联结构D1的反应度未达到预先设定的反应度的目标值，重新进行步骤(3)‑(7)，直至交联结构D1的反应度达到预先设定的反应度的目标值；(8)、利用MS软件Visualizer模块的Measure工具测量并统计，步骤(7)中当交联结构D1的反应度达到预先设定的反应度的目标值时交联结构D1中的C‑N键的键长L，以判断整个构建过程是否结束：当时，构建过程结束；当时，可能出现结构未能完全弛豫的情况，重新运行步骤(6)‑(8)，直至构建过程结束；当时，可能出现穿环等不合理结构，重新运行步骤(3)‑(8)，直至构建过程结束。