一种基于Martini力场的色素炭黑粗粒化模型建立方法

本发明属于纳米化学计算领域，具体涉及一种色素炭黑的处理计算，具体为一种基于martini力场的色素炭黑粗粒化模型建立方法。

背景技术：

工业炭黑主要由碳元素组成，是有高度分散性的黑色粉末状物质，其微晶具有准石墨结构，其“粒子”由近乎球形或其它不规则形状的聚熔体构成。以着色和调色为主要作用的炭黑称为色素炭黑，其与无机颜料和有机染料相比具有独特性质，目前主要用于塑料、油墨、涂料、化纤、制革、静电复印、遮光纸等行业。

研究以色素炭黑为主要成分的中性墨水时，色素炭黑与如分散剂、增稠剂等聚合物在溶液中的运动以及其流变特性是研究的重点问题。分子动力学模拟是在原子、分子水平上求解多体问题的重要的计算机模拟方法，可以预测纳米尺度上的材料动力学特征。使用分子动力学数值模拟得到的微观结构、流变学数据以及数据变化的规律可以预测、指导中性墨水的研制，也可以从理论上分析流变性能改变的原因。采用介观分子动力学数值模拟，即粗粒化的方法将聚合物以及色素炭黑构造粗粒化模型，减少了计算的步骤，这样可以大大的加快计算速度，避免不必要的计算上的浪费。

但是由于色素炭黑在介观尺度体积过于庞大，即使是粒径较小的高色素炭黑，粒径范围也在9-17nm，进行对色素炭黑粗粒化时，使用经典的martini力场，一个粗粒化珠子的粒径在0.47nm左右，建立一个9nm粒径的色素炭黑往往需要上万个粗粒化珠子。珠子数量过于巨大加剧了计算的浪费，计算时间大大增加。但是目前对纳米颗粒的粗粒化建模，珠子数量较少，多为几百个粗粒化珠子，纳米颗粒的粒径也集中在2-3nm左右，这对于大粒径的素色炭黑来说并不适用。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于martini力场的色素炭黑粗粒化模型建立方法，使得在建立大粒径色素炭黑时，大大降低组成炭黑模型的粗粒化珠子个数，同时满足其动力学性质不变。提高分子动力学数值模拟的计算速率，解决计算浪费的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种基于martini力场的色素炭黑粗粒化模型建立方法，包括以下步骤：

s1、根据所需色素炭黑粒径大小，结合色素炭黑平均密度，计算所需色素炭黑的质量；

s2、将色素炭黑分为中心珠子和以中心珠子为球心，均匀排布在球面上的最外层珠子；中心珠子和最外层珠子之间、最外层珠子之间均为键连接；根据色素炭黑粒径大小，确定最外层珠子数量，将所需色素炭黑的质量平均分配给最外层珠子；

s3、根据色素炭黑粒径大小，确定中心珠子与最外层珠子之间的键长、最外层珠子之间的键长，以及为了维持结构刚性所需要的键能参数；

s4、在martini力场中分别定义中心珠子以及最外层珠子类型，根据中心珠子和最外层珠子的摩尔质量大小修改所定义珠子在martini力场中的各类参数。

进一步，所述的最外层珠子为球壳形。

进一步，中心珠子的质量忽略不计。

进一步，步骤s3中所述的键能参数是martini力场中键和作用键能表达式的键能参数kr，键和作用的键能表达式为：。

进一步的，将键能参数kr由默认值1250kj/mol增加到2000kj/mol。

进一步，martini力场中的范德华势作用力参数以及根据最外层珠子的摩尔质量大小进行修改。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

本发明提出的基于martini力场的构建色素炭黑粗粒化模型方法，将体积庞大的球形色素炭黑粗粒化模型，分为了中心珠子以及最外层球壳形珠子，由于在热运动中，只有色素炭黑表层与外界发生排斥、吸引等运动，可以保证色素炭黑的动力学性能不变。在martini力场中定义两类型珠子，并根据实际应用将摩尔质量、势作用参数进行赋值，在中心珠子以及最外层球壳形珠子的连接上，采用了键连接，同时改变键能参数，这也可以保证色素炭黑的结构刚性，在进行分子动力学模拟时可以不变小，不坍缩。由于整个粗粒化模型只有最外层球壳形珠子以及中心珠子，这大大减少了珠子的数量，可以在保证分子动力学计算的准确性同时大大的降低计算量，提高了计算的速度，也避免了计算上的浪费。

附图说明

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合以下附图进行说明：

图1为色素炭黑粗粒化模型在可视化软件vmd中视图；

图2为色素炭黑粗粒化模型沿直径方向剖面图，图中b为中心珠子，cb为最外层珠子，d为键。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

一种基于martini力场的色素炭黑粗粒化模型建立方法，具体包括以下步骤：

s1、计算出模型色素炭黑的质量：

本例采用粒径为9nm的色素炭黑进行粗粒化模型构型，可以计算出色素炭黑的体积是3.81710^-19cm³，色素炭黑的平均密度为1.8g/cm³，由此可以得到，所构建的一个色素炭黑模型的质量约为6.87110^-19g。

s2、确定珠子数量，平均分配色素炭黑质量：

将粒径为9nm的色素炭黑的粗粒化模型分为两类型珠子，其中第一类为分为中心珠子，第二类是球壳形最外层珠子，由模型粒径为9nm，最终确定最外层球壳的珠子数量为1000个，中心珠子1个。整个色素炭黑粗粒化模型的共1001个粗粒化珠子。s1得到的所构建的一个色素炭黑模型的质量约为6.87110^-19g，平均分配给最外层珠子，即每个最外层珠子质量为6.87110^-22g，中心珠子质量可以忽略。

s3、确定粗粒化珠子间的键长，以及键能参数：

中心珠子和最外层珠子以及最外层珠子之间均采用键连接的方式，由于构型模型粒径为9nm，中心珠子以及最外层珠子之间的键为4.5nm，外层珠子均布在直径为9nm的圆球上，计算后得到外层珠子间键长设置在1.1nm时，可以使珠子全部连接。在martini力场中，键和作用的键能表达式为，为了保持色素炭黑的结构刚性，将键能参数kr由一般值1250kj/mol增加到2000kj/mol。

s4、定义珠子类型，修改所定义珠子在martini力场中的各类参数：

在martini力场中定义两类型珠子，cb和b，其中cb代表质量很大的最外层珠子，b代表质量几乎为零的中心珠子。由于色素炭黑为非极性粒子，所定义的两类型珠子和非极性珠子c1性质相似。martini力场中的c1粒子摩尔质量为72g/mol，由阿伏伽德罗常数na，以及每个最外层珠子的质量，可以计算出最外层珠子即cb珠子的摩尔质量为420g/mol，而中心珠子b的摩尔质量定义为0.01g/mol，几乎可以忽略。martini力场中的范德华势作用力参数以及可以根据珠子质量进行修改，中心珠子b和最外层珠子cb以键合作用为主，非键作用力参数均为0。

本方法将体积庞大的球形色素炭黑粗粒化模型，分为了中心珠子以及最外层球壳形珠子，由于在热运动中，只有色素炭黑表层与外界发生排斥、吸引等运动，可以保证色素炭黑的动力学性能不变。在martini力场中定义两类型珠子，并根据实际应用将摩尔质量、势作用参数进行赋值，在中心珠子以及最外层球壳形珠子的连接上，采用了键连接，同时改变键能参数，这也可以保证色素炭黑的结构刚性，在进行分子动力学模拟时可以不变小，不坍缩。由于整个粗粒化模型只有最外层球壳形珠子以及中心珠子，这大大减少了珠子的数量，可以在保证分子动力学计算的准确性同时大大的降低计算量，提高了计算的速度，也避免了计算上的浪费。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。