一种基于分子动力学模拟油酸钠在一水硬铝石表面吸附性能的方法

本发明属于固液界面研究以及分子模拟领域，特别涉及一种基于分子动力学模拟油酸钠在一水硬铝石表面吸附性能的方法。

背景技术：

近年来，随着全球有用矿物资源越发减少、地球生态环境问题越发严峻，我国在资源与环境的规划发展与科学研究得到了前所未有的重视。作为我国铝金属主要来源的铝土矿，大部分以一水硬铝石的矿物形式存在，矿物加工工程中的浮选法采用具有捕收作用的药剂，来针对不同矿物进行捕收利用，其中油酸类捕收剂是一水硬铝石矿物的主要捕收药剂，在各大选矿厂和实验室都有广泛使用。广大科研工作者也在油酸类捕收剂与一水硬铝石的作用效果与作用机理上进行了广泛而深入的研究，但以往的研究往往耗费较多的实验室人力物力，并且很多都是不同实验与检测方法的简单改进与重复，同时针对浮选体系在原子、分子水平的研究也不够透彻。

分子模拟技术的出现，使得研究和预测浮选体系的某些性质成为可能。其中分子动力学是依靠牛顿力学来模拟体系中分子的运动，在相关力场的作用下，分子按照牛顿运动方程进行运动，因此可以得到任一时刻下任一原子的位置和速度，进而得到一定时间内原子或分子的运动情况，再通过统计方法计算得到所需物理量。

利用浮选法回收含铝矿物是铝资源利用的重要方法，因此，如何真实的模拟浮选过程，寻找高效捕收剂和最佳浮选条件的模拟方法是矿物加工工程的重要课题。

技术实现要素：

基于此，本发明为了解决现有技术中欠缺从分子水平更直观研究油酸钠在一水硬铝石的表面吸附现象的技术问题，本发明的目的在于提出一种基于分子动力学模拟油酸钠在一水硬铝石表面吸附性能的方法。

本发明提供了一种基于分子动力学模拟油酸钠在一水硬铝石表面吸附性能的方法，具体包括：

根据矿物结构库构建一水硬铝石超晶胞，并构建油酸根离子模型、钠离子模型和水分子模型，并按照预设的原料比构建油酸钠与一水硬铝石的吸附体系初始模型；

将所述吸附体系初始模型采用steep最陡下降法和cg共轭梯度法进行体系能量极小化处理，获得能量极小化体系；

将所述能量极小化体系采用npt系综进行分子动力学模拟获得预平衡体系，并将所述预平衡体系采用nvt系综进行分子动力学模拟；并获取体系的作用结果快照和轨迹；

根据所述作用结果快照和轨迹，获得吸附体系及分子结构变化，并计算吸附体系各物质在模拟过程动力学信息。

进一步的，所述一水硬铝石超晶胞为(5～30)×(5～30)×(1～4)。

进一步的，所述按照预设的原料比构建油酸钠与一水硬铝石的吸附体系初始模型具体为：

将油酸根与水分子数量比例为5-50:5000-50000的数量比填充于两个一水硬铝石层之间。

进一步的，所述能量极小化处理和分子动力学模拟过程中，所述一水硬铝石采用clayff力场，所述油酸根离子及钠离子采用charmm力场，所述水分子采用spc/e模型。

进一步的，所述分子动力学模拟过程的温度控制采用v-rescale方法，模拟温度范围为273.15-333.15k。

进一步的，所述分子动力学模拟过程的压力控制采用berendsen方法，模拟压力范围为1.0-5.0bar。

进一步的，所述npt系综进行分子动力学模拟时间为0.2-3.0ns，所述nvt系综进行分子动力学模拟时间为20-100ns。

进一步的，所述模拟过程动力学信息具体包括rmsd方均根偏差、密度分布、rdf径向分布函数、角度分布、簇分析、相互作用能。

有益效果：

本发明通过构建油酸钠和一水硬铝石的吸附体系，先采用steep最陡下降法和cg共轭梯度法进行体系能量极小化处理，再进行分子动力学模拟，在模拟过程中先采用npt系综模拟使其达到预平衡，再采用nvt系综模拟，获取不同条件下体系的作用结果快照和轨迹，通过上述结果直接观测吸附效果，并结合动力学信息对模拟范围内的实验机理进行分析和判断，从而获得吸附体系的最佳条件，该方法通过模拟实验获得油酸钠与一水硬铝石相互作用机理，有助于找到油酸钠在一水硬铝石表面的最佳吸附条件，提高吸附效率，同时也为高效捕收剂的设计研发和结构优化提供理论参考。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于分子动力学模拟油酸钠在一水硬铝石表面吸附性能的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一水硬铝石单晶胞和油酸根离子；

图3为本发明实施例提供的油酸钠与一水硬铝石的吸附体系初始模型示意图；

图4为本发明实施例3提供的油酸根密度分布图；

图5为本发明实施例4提供的油酸根角度分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在本发明实施例中，提出了一种基于分子动力学模拟油酸钠在一水硬铝石表面吸附性能的方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤s1，根据矿物结构库构建一水硬铝石超晶胞，并构建油酸根离子模型、钠离子模型和水分子模型，并按照预设的原料比构建油酸钠与一水硬铝石的吸附体系初始模型。

在本发明实施例中，根据我国铝土矿资源中最主要的矿物类型，采用矿物结构库中一水硬铝石单晶胞，具体详见图2a)，使用avogadro软件构建一水硬铝石超晶胞，其中一水硬铝石超晶胞为(5～30)×(5～30)×(1～4)，然后构建油酸根离子模型，详见图2b)，钠离子模型、水分子模型。使用gromacs以及packmol软件将油酸根离子、钠离子、水分子填充于两个一水硬铝石层之间，其中油酸根离子与水分子的比例为5-50:5000-50000，构建特定条件下油酸钠与一水硬铝石的吸附体系，具体详见图3，其中1-一水硬铝石，2-油酸根离子，3-钠离子，为方便观看，水分子设为不显示。

步骤s2，将所述吸附体系初始模型采用steep最陡下降法和cg共轭梯度法进行体系能量极小化处理，获得能量极小化体系。

在本发明实施例中，一水硬铝石采用clayff力场，油酸根离子及钠离子采用charmm力场，水分子采用spc/e模型，并采用steep最陡下降法与cg共轭梯度法相结合进行能量极小化，其中steep最陡下降法每一步是沿着当前受力最大方向进行线搜索，在找到能量最低点后再做下一步，当远离极小点时，该法效率较高，但到达临近极小点附近时收敛会变慢；cg共轭梯度法对steep最陡下降法进行改良，每步位移会考虑当前位置梯度以及前一步位移矢量，一定程度避免了steep最陡下降法的震荡问题。

步骤s3，将所述能量极小化体系采用npt系综进行分子动力学模拟获得预平衡体系，并将所述预平衡体系采用nvt系综进行分子动力学模拟；并获取体系的作用结果快照和轨迹。

在本发明实施例中，考虑更符合实际体系和更精确快捷的模拟流程，采用npt预平衡+nvt动力学计算的模拟方法，对于模拟过程设定的温度、压力条件，需要使用npt系综，使体系达到充分弛豫状态，模拟过程中温度控制采用v-rescale方法，压力控制采用berendsen方法，范德华作用采用cut-off方法，静电相互作用采用pme方法，模拟温度范围为273.15～333.15k，压力范围为1.0-5.0bar，进一步的动力学计算选取nvt系综，在充分考虑不影响模拟结果的情况下，有利于提高模拟速度，同时对于数据的采集与提取也更加快捷方便。

在本发明实施例中，考虑实际体系温度、压力条件，选取最符合模拟体系的温度控制法与压力控制法组合。温度控制v-rescale法在传统热浴法基础上引入了随机力，解决了体系粒子速度不满足maxwell分布的问题，相比以往研究中常用的berendsen热浴、nosé-hoover热浴更具优势，是研究油酸钠与一水硬铝石吸附体系的首选温度控制方法；压力控制berendsen法是当前流行的压浴方法，通过耦合参数控制压力变化速度，很适合固液体系的模拟研究。

步骤s4，根据所述作用结果快照和轨迹，获得吸附体系及分子结构变化，并计算吸附体系各物质在模拟过程动力学信息。

在本发明实施例中，根据所述作用结果快照和轨迹，提取分子动力学模拟过程中最具代表性动力学信息来提高研究的准确性，具体包括模拟过程中的rmsd方均根偏差、密度分布、rdf径向分布函数、角度分布、簇分析、相互作用能等动力学信息的一种或几种，使得分子动力学模拟的结果更精确、直观，得出的机理更具说服力。

以下以具体实施例来对本发明进行进一步说明。

实施例1

基于分子动力学模拟研究油酸钠在一水硬铝石表面的吸附平衡时间，包括以下步骤：

s1:根据我国铝土矿资源中最主要的矿物类型，采用矿物结构库中一水硬铝石单晶胞，使用avogadro软件，建立一水硬铝石20×10×2的超晶胞，通过复制并移动构建含上下两个矿物层的模拟盒子，然后建立油酸根离子模型、钠离子模型、水分子模型；使用gromacs软件及packmol软件将20个油酸根离子、20000个水分子填充于矿物层之间，并添加20个钠离子使系统呈电中性，获得油酸钠与一水硬铝石的吸附体系初始模型。

s2：对初始模型进行体系能量极小化，其中一水硬铝石采用clayff力场，油酸根离子及钠离子采用charmm力场，水分子采用spc/e模型，能量极小化采用steep最陡下降法与cg共轭梯度法相结合，步数设定为10000步，直至能量收敛到受力最大值小于100kj·mol^-1·nm^-1。

s3：将能量极小化后的体系作为分子动力学的初始结构，首先进行0.5ns的npt系综模拟，温度控制使用v-rescale温度耦合法，压力控制使用berendsen压力耦合法，周期性边界条件设为xyz，模拟温度为308.15k，压力为1bar，范德华作用使用cut-off法，静电相互作用使用pme法；将npt系综模拟后的体系作为预平衡结构，随之进行50ns的nvt系综模拟，温度控制使用v-rescale温度耦合法，周期性边界条件设为xyz，模拟温度为308.15k，范德华作用使用cut-off法，静电相互作用使用pme法。

s4：对分子动力学模拟完成后的体系使用gromacs软件以及vmd软件观察不同时间、不同位置的油酸根离子和一水硬铝石的吸附效果，优化处理最终结构文件以及轨迹文件，保存所需模拟快照及轨迹；使用gromacs软件及vmd软件计算油酸根离子在模拟过程中的rmsd方均根偏差变化，用以判断吸附平衡的时间和状态。

实施例2

基于分子动力学模拟研究油酸钠在一水硬铝石表面吸附平衡时间，所述方法除了步骤(4)(5)温度采用283.15k外，均与实施例1相同。

计算实施例1、2油酸根在一水硬铝石表面吸附的rmsd方均根偏差对比，结果详见表1。rmsd方均根偏差是重要的衡量几何结构偏差的标准，在此实验中可以判断吸附是否达到平衡。由表1可以看出，实施例1较实施例2在实验开始时rmsd值更大，在实验达到20ns后，两个实验中的rmsd变化基本稳定，说明吸附实验达到了稳定状态。

表1实施例1、2油酸根在一水硬铝石表面吸附的rmsd方均根偏差

实施例3

基于分子动力学模拟研究油酸钠在一水硬铝石表面吸附的密度分布，所述方法除了选取平衡后体系计算密度分布外，均与实施例1相同。

图4是实施例3油酸根的密度分布图，可以看到油酸根基团在体系稳定后更多的富集于两端的一水硬铝石矿物层附近，越往中间，密度也越小，说明了油酸根在一水硬铝石表面很好的吸附效果。

实施例4

基于分子动力学模拟研究油酸钠在一水硬铝石表面吸附的角度分布状态，所述方法除了选取平衡后体系计算代表性油酸根角度分布外，均与实施例1相同。

图5为实施例4在稳定体系的代表性油酸根角度分布，可以看出，油酸根在90度附近分布更多，越往两边，分布越少，说明油酸根更倾向于垂直吸附在一水硬铝石表面。

本发明采用分子动力学模拟方法，从分子水平更直观、便捷、高效地研究油酸钠在一水硬铝石表面的吸附行为，选取最佳软件组合来进行分子动力学模拟。使用gromacs、avogadro、packmol及vmd等专业软件，在建模、计算、分析等过程都力求精确与稳定，保证了分子动力学模拟结果的准确性与高效性。通过更具实际意义与更有适应性的软件、力场、方法、信息组合，本发明能有效研究浮选溶液环境下油酸钠在一水硬铝石表面的吸附行为，观察油酸根离子在矿物表面的吸附状态，验证实验中所得出的吸附机理，有助于提高油酸类捕收剂的捕收吸附性能，同时为新型高效铝土矿捕收剂的设计研发和优化提供理论参考。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。