一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机分子模拟技术领域，具体涉及一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法。
【背景技术】
[0002]在最近的十年间，新型的水-液晶界面成为新的研究热点，以其潜在的应用价值和奇特界面性质吸引了众多的实验、理论和模拟研究。这种新型的界面系统与常见的固体-液晶界面有着本质的不同，以界面吸附对锚定取向的影响为例，二者的差别大约有四点:1.吸附的表面活性剂在界面的热力学状态不同:在平衡状态下，水溶液中表面活性剂的浓度决定了它在水-液晶界面的化学势，因此，溶液中表面活性剂浓度的改变势必会影响其在界面上的结构排布。与之相反，在固体表面，表面活性剂是预先沉积其上，然后再与液晶本体接触，因此，不存在与表面活性剂本体溶液的平衡关系。2.表面活性剂在水-液晶界面的具有更好的流动扩散性，允许界面自组装结构的重构。此外，这种流动性也有利于揭示液晶有序与表面活性剂的耦合关系。3.水-液晶界面可在应力作用下形变，而传统的固体表面则都是刚性的，与液晶接触不会发生任何的形变。4.水-液晶界面有利于我们研究双亲分子在界面上的动态吸附、解吸附和自组装过程。综合这些特殊的界面性质，液晶分子在水-液晶界面的取向行为将具有一个完全不同的微观机制，给我们提出了新的挑战。此夕卜，结合液晶的光学各向异性，水-液晶界面的液晶取向性质可以直观地实时反映界面结构的变化，包括吸附、结构重排、生物分子的binding events等,适用于各种界面现象的研究。同时，这一实验系统也极具工业应用价值，可开发用于化学、生物和医学传感器。
[0003]尽管在过去十年间，液晶分子在水-液晶界面的锚定现象吸引众多的实验和理论研究，但是，其分子尺度上的微观机制仍然不甚清楚，例如，表面活性剂在水-液晶界面的自组装结构以及它与液晶取向有序的耦合机制等。然而，由于这一界面往往深埋于两个本体溶液之间，实验表征难以揭示界面的微观结构以及锚定转变的动力学机制，而理论研究又过于抽象，因此，我们提供了粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法，来研究了棒状液晶分子在水-液晶界面的锚定转变行为。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案:
[0006]一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法；该方法包括以下步骤:a)构建水分子粗粒化模型；b)构建液晶分子粗粒化模型；c)构建表面活性剂分子粗粒化模型；d)设置各种分子之间相互作用参数。
[0007]具体的说，该方法包括如下步骤:
[0008]1.将水分子用单个球粗粒化粒子表示,相互之间采用Lenard-Jones相互作用势倉泛;
[0009]2.将液晶分子用单个椭球粗粒化粒子表示，每个粒子被看成一个轴对称的椭球，每个粒子通过粒子质心的位置和一个沿着主轴的单位指向矢量来描述，相互之间采用Gay-Berne相互作用势能；
[0010]3.表面活性剂分子采用4头4尾型双嵌段链状结构，其中，头链段包含4个粗粒化粒子，采用相同的全柔性结构；尾链段包含4个粗粒化粒子，通过临近粒子间的成键相互作用连接成半柔性链段，相比于棒状液晶分子，尾链段具有更大的分子长径比，有利于更多的液晶分子穿插进入界面层，提高尾链段与液晶分子的耦合作用；
[0011]4.将表面活性剂分子的最后一个尾粒子的性质进行调整，使其与液晶相互作用时，和液晶-液晶相互作用的各项异性相等。具体来说，将最后一个尾粒子与液晶的相互作用各项异性参数设置为1，而相互作用强度参数设置为0.38.
[0012]5.在模型构建过程中，所有的粒子满足周期性边界条件；
[0013]6.为了增强局部的排除体积相互作用，获得较高数目的临近相互作用对，模拟体系的数密度设定为0.65。
[0014]本发明的有益效果如下:
[0015]通过本发明所述的一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法，我们可以搭建重现实验结果的粗粒化分子动力学模型，为进一步研究水/液晶界面上表面活性剂诱导液晶锚定转变现象打下基础。
【附图说明】
[0016]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0017]图1示出本发明的水分子粗粒化模型、液晶分子粗粒化模型和表面活性剂粗粒化模型。
[0018]图2示出本发明表面活性剂分子尾链未进行修正时，体系内部相互作用的势能图。
[0019]图3示出本发明对表面活性剂分子尾链最后一个粒子进行修正之后，体系内尾链和液晶相互作用的势能图。
【具体实施方式】
[0020]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0021]实施例1
[0022]三组分双亲分子粗粒化模型水-表面活性剂分子的构建方法:
[0023]1.将水分子W1用单个球粗粒化粒子表示,相互之间采用Lenard-Jones相互作用势能；
[0024]2.表面活性剂分子H4T4采用4头4尾型双嵌段链状结构，其中，头链段包含4个粗粒化粒子，采用相同的全柔性结构；尾链段包含4个粗粒化粒子，通过临近粒子间的成键相互作用连接成半柔性链段，相比于棒状液晶分子M1,尾链段具有更大的分子长径比，有利于更多的液晶分子M1穿插进入界面层，提高尾链段与液晶分子M1的耦合作用；
[0025]3.在模型构建过程中，所有的粒子满足周期性边界条件；
[0026]4.为了增强局部的排除体积相互作用，获得较高数目的临近相互作用对，模拟体系的数密度设定为0.65。
[0027]实施例2
[0028]三组分双亲分子粗粒化模型水-表面活性剂-无序相液晶分子的构建方法:
[0029]1.将水分子W1用单个球粗粒化粒子表示,相互之间采用Lenard-Jones相互作用势能；
[0030]2.将液晶分子M1用单个椭球粗粒化粒子表示，每个粒子被看成一个轴对称的椭球，每个粒子通过粒子质心的位置和一个沿着主轴的单位指向矢量来描述，相互之间采用Gay-Berne相互作用势能；
[0031]3.表面活性剂分子H4T4采用rod-coil型双嵌段链状结构，其中，rod链段包含4个粗粒化粒子，与液晶分子M1采用相同的半柔性棒状结构；coil链段包含4个粗粒化粒子，通过临近粒子间的成键相互作用连接成柔性链段。相比于棒状液晶分子M1, rod链段具有更大的分子长径比，有利于更多的液晶分子M1穿插进入界面层，提高rod链段与液晶分子M1的耦合作用；
[0032]4.将表面活性剂分子H4T4的最后一个尾粒子的性质进行调整，使其与液晶F分子M1相互作用时，和液晶-液晶相互作用的各项异性相等。具体来说，将最后一个尾粒子与液晶分子M1的相互作用各项异性参数设置为1，而相互作用强度参数设置为0.33.
[0033]5.在模型构建过程中，所有的粒子满足周期性边界条件；
[0034]6.为了增强局部的排除体积相互作用，获得较高数目的临近相互作用对，模拟体系的数密度设定为0.60。
[0035]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【主权项】
1.一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:a)构建水分子粗粒化模型；b)构建液晶分子粗粒化模型；c)构建表面活性剂分子粗粒化模型；d)设置各种分子之间相互作用参数。2.根据权利要求1所述的模型构建方法，其特征在于:所述水分子为I个粗粒化球型粒子，所述液晶分子为I个粗粒化椭球粒子，所述表面活性剂分子为4头4尾的球链的粗粒化模型。3.根据权利要求1所述的模型构建方法，其特征在于:所述表面活性剂分子尾链上最后一个粒子与液晶粗粒化椭球粒子之间的相互作用各向异性系数为1.0，相互作用强度系数为0.38。
【专利摘要】本发明公开一种粗粒化分子动力学研究水-表面活性剂-液晶三相混合体系的模型构建方法，该方法包括以下步骤：a)构建水分子粗粒化模型；b)构建液晶分子粗粒化模型；c)构建表面活性剂分子粗粒化模型；d)设置各种分子之间相互作用参数。所述水分子为1个粗粒化球型粒子，所述液晶分子为1个粗粒化椭球粒子，所述表面活性剂分子为4头4尾的球链的粗粒化模型。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105095627
【申请号】CN201410205721
【发明人】欧阳宇廷, 郭洪霞
【申请人】中国科学院化学研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月15日