一种油水固三相体系粗粒化力场的开发方法.pdf

本发明提供了一种油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，属于分子模拟技术领域，可应用于多相体系有关的基础研究。方法如下：1）建立油水体系粗粒化力场；2）通过Materials Studios软件建立粗粒化固体表面，调整水与固体或油与固体之间的相互作用参数，得到水固相互作用参数与固体表面水湿性的关系，以及油固相互作用参数与固体表面油湿性的关系；3）基于理论上水湿性与油湿性的相互关系，建立水固相互参数与油固相互作用参数联系。本发明利用计算机模拟技术提出了一种通过水湿性及油湿性的关系建立粗粒化力场的方法，提高了粗粒化力场的精度、促进了粗粒化力场的发展及对研究多相体系具有重要的指导意义。

权利要求书
1.  一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征在于，步骤如下：
1)建立粗粒化模型；
2)定义力场形式；
3)通过粗粒化模拟水体系、油体系及油水界面体系与实验上水的密度、界面张力，油 的密度、界面张力，油水的界面张力相对比获得油水体系力场参数；
4)在Materials Studios软件中构建粗粒化模型，包括含有水的粗粒化模型及含有油的 粗粒化模型；
5)对建立含有水的粗粒化模型，运用Materials Studios软件中Mesocite模块进行分子 力学优化和分子动力学模拟，调整水-固体之间的相互作用强度，获得不同强度下水在固体 表面的水润湿角；
6)对建立含有油的粗粒化模型，运用Materials Studios软件中Mesocite模块进行分子 力学优化和分子动力学模拟，调整油-固体之间的相互作用强度，获得不同强度下油滴在固 体表面的油湿角；
7)基于理论上和实验上水润湿角与油湿角之间的关系，最终建立水-固体相互作用及油 -固体相互作用的关系。

2.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤1)中建立粗粒化模型如下：水珠子W为3H2O，端部油珠子CT为 CH3-CH2-CH2-，中间油珠子CM为-CH2-CH2-CH2-，固体由S珠子在体系中随机分布组 成，并在模拟中固定。

3.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤2)中力场形式如公式1、公式2：
U LJ 12 - 4 ( R ) = D 0 [ 1 2 ( R 0 R ) 12 - 3 2 ( R 0 R ) 4 ] - - - ( 1 ) ]]>
U LJ 9 - 6 ( R ) = D 0 [ 2 ( R 0 R ) 9 - 3 ( R 0 R ) 6 ] - - - ( 2 ) ]]>
其中ULJ12-4(R)表示与水有关的力场形式，用公式1表示；ULJ9-6(R)表示其它的力场形式，用 公式2表示；D0表示珠子之间的相互作用强度，R0表示相互作用平衡距离，R表示珠子间 的距离。

4.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤4)中粗粒化模型是在固体表面放置水滴或油滴，所述水滴或油滴的直径不 小于5nm，所述固体表面的长宽不小于水滴或油滴直径的2.5倍。

5.  根据权利要求4所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述油为壬烷和十二烷。

6.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤5)中水-固体之间的相互作用强度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.3、 0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0。

7.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤6)中油-固体之间的相互作用强度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.3、 0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60。

8.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤5)和6)中分子动力学模拟的具体参数设置为：模拟系综选择正则系综， 温度设置为298K，控温方法选择Nose方法，时间步长设置为20fs，模拟实验4ns。

9.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤5)和6)中分子力学优化方法选择Smart Minimizer方法。

10.  根据权利要求1所述的一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，其特征 在于，所述步骤5)和6)中分子力学优化和动力学模拟过程中，粗粒化珠子之间范德华相 互作用采用Bead-based求和方法进行计算。

说明书一种油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法
技术领域
本发明属于分子模拟技术领域，具体地说，涉及一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场 的开发方法。
背景技术
粗粒化分子动力学模拟是在传统全原子分子动力学模拟的基础上，将相邻的几个原子 看作一个整体，称为“珠子”，珠子作为最小的相互作用单元。这种简化，使得计算效率大大 提高，粗粒化模拟的时间尺度达到了微秒量级，空间尺度达到介观范畴。因此，可以将该方 法用于介观尺度分子动力学行为的研究，如复杂流体的介观行为、软物质的自组装行为等。 粗粒化方法大大扩展了分子动力学模拟的研究范围，促进了这种方法在科学研究和解决实际 问题中的应用。
从技术角度来看，分子动力学模拟最关键的是“力场”。所谓力场，指的是以简单数学形 式表示的势能函数。势能函数决定着粒子的受力状况，进而决定了粒子的运动和分布状态。 力场描述了不同粒子之间相互作用的形式和强弱，是分子动力学模拟的基础。但是，目前粗 粒化分子动力学模拟的力场开发还处在起步阶段，现有的粗粒化力场数目较少，适用范围小， 且存在可移植性差、不精确的问题。对于某些特定领域，具体的科学研究问题，往往没有与 之对应的粗粒化力场，导致粗粒化分子动力学模拟研究无法开展。尽管粗粒化分子动力学模 拟具有明显的优势，但是粗粒化力场的缺乏大大限制了这种技术的应用。因此，针对不同的 研究对象，开发相应的粗粒化力场，具有十分重要的现实意义和科学价值。
目前针对粗粒化力场开发有两种方法，一种自下而上的方法，这种方法的中心思想是通 过与全原子模拟得到的结果相对比获得力场参数，例如Shinoda力场方法和MS-CG方法； 另一种是自上而下的方法，其中心思想是通过与宏观的热力学性质相对比获得力场参数。这 两种方法在研究一些软物质方面具有重要的应用，例如聚合物、表面活性剂自组装，蛋白质、 糖类和核酸在细胞膜表面的吸附等。然而，对于油-水-固体系仅仅通过与全原子模拟或热力 学性质相对比难以获取精确的力场，目前与之相关的力场开发方法存在盲目性，不考虑力场 参数之间存在的关系。本发明利用实验上的一些关系或理论，提供了一种针对不同润湿性固 体表面-油-水三相体系粗粒化力场开发方法，该方法的提出提高了粗粒化力场的精度，扩展 了粗粒化力场的开发方法，为涉及油水固体系的研究提供了粗粒化力场。
发明内容
针对现有技术中对于油-水-固体系相关的力场开发方法存在盲目性，不考虑力场参数之 间存在的关系的技术问题，本发明特别涉及了一种油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法。
一种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，步骤如下：
1)建立粗粒化模型；
2)定义力场形式；
3)通过粗粒化模拟水体系、油体系及油水界面体系与实验上水的密度、界面张力，油 的密度、界面张力，油水的界面张力相对比获得油水体系力场参数；
4)在Materials Studios软件中构建粗粒化模型，包括含有水的粗粒化模型及含有油的 粗粒化模型；
5)对建立含有水的粗粒化模型，运用Materials Studios软件中Mesocite模块进行分子 力学优化和分子动力学模拟，调整水-固体之间的相互作用强度，获得不同强度下水在固体 表面的水润湿角；
6)对建立含有油的粗粒化模型，运用Materials Studios软件中Mesocite模块进行分子 力学优化和分子动力学模拟，调整油-固体之间的相互作用强度，获得不同强度下油滴在固 体表面的油湿角；
7)基于理论上和实验上水润湿角与油湿角之间的关系，最终建立水-固体相互作用及油 -固体相互作用的关系。
进一步的，所述步骤1)中建立粗粒化模型如下：水珠子W为3H2O，端部油珠子CT为 CH3-CH2-CH2-，中间油珠子CM为-CH2-CH2-CH2-，固体由S珠子在体系中随机分布组 成，并在模拟中固定。
进一步的，所述步骤2)中力场形式如公式1、公式2：
U LJ 12 - 4 ( R ) = D 0 [ 1 2 ( R 0 R ) 12 - 3 2 ( R 0 R ) 4 ] - - - ( 1 ) ]]>
U LJ 9 - 6 ( R ) = D 0 [ 2 ( R 0 R ) 9 - 3 ( R 0 R ) 6 ] - - - ( 2 ) ]]>
其中ULJ12-4(R)表示与水有关的力场形式，用公式1表示；ULJ9-6(R)表示其它的力场形式，用 公式2表示；D0表示珠子之间的相互作用强度，R0表示相互作用平衡距离，R表示珠子间 的距离。
进一步的，所述步骤4)中粗粒化模型是在固体表面放置水滴或油滴，所述水滴或油 滴的直径不小于5nm，所述固体表面的长宽不小于水滴或油滴直径的2.5倍。
进一步的，所述油为壬烷和十二烷。
进一步的，所述步骤5)中水-固体之间的相互作用强度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、 0.3、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0。
进一步的，所述步骤6)中油-固体之间的相互作用强度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、 0.3、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60。
进一步的，所述步骤5)和6)中分子动力学模拟的具体参数设置为：模拟系综选择正 则系综，温度设置为298K，控温方法选择Nose方法，时间步长设置为20fs，模拟实验4ns。
进一步的，所述步骤5)和6)中分子力学优化方法选择Smart Minimizer方法。
进一步的，所述步骤5)和6)中分子力学优化和动力学模拟过程中，粗粒化珠子之间 范德华相互作用采用Bead-based求和方法进行计算。
本发明的优点和积极效果是：本发明提出一种油-水-固三相体系粗粒化力场开发方法， 与现有开发相比：本发明利用计算机模拟技术提出了一种通过水湿性及油湿性的关系建立粗 粒化力场的方法，该方法的提出提高了粗粒化力场的精度、扩展了粗粒化力场的开发方法， 为涉及油水固体系的研究提供了粗粒化力场。
附图说明
图1.本发明在Materials Studios软件中构建的粗粒化模型；
图2.本发明的总体设计方法；
图3.本发明的水固相互作用强度与水湿角之间的关系图；
图4.本发明的油固相互作用强度与油湿角之间的关系图；
图5本发明的水固相互作用强度与油固相互作用强度之间的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
一种针对油-水-不同润湿性固体表面三相体系粗粒化力场的开发方法，步骤如下：
1)建立粗粒化模型，即定义粗粒化珠子，如下：水珠子W(3H2O)，端部油珠子CT (CH3-CH2-CH2-)，中间油珠子CM(-CH2-CH2-CH2-)，通过CT和CM可以组成长度为3*n (n为2、3、4…)的烷烃。固体由S珠子在体系中随机分布组成，并在模拟中固定。
2)定义力场形式，如公式1、公式2：
U LJ 12 - 4 ( R ) = D 0 [ 1 2 ( R 0 R ) 12 - 3 2 ( R 0 R ) 4 ] - - - ( 1 ) ]]>
U LJ 9 - 6 ( R ) = D 0 [ 2 ( R 0 R ) 9 - 3 ( R 0 R ) 6 ] - - - ( 2 ) ]]>
D0表示珠子之间的相互作用强度，R0表示相互作用平衡距离，R表示珠子间的距离。其中 ULJ12-4(R)表示与水有关的力场形式，用公式1表示；ULJ9-6(R)表示其它的力场形式，用公式2 表示。
3)通过粗粒化模拟水体系、油体系及油水界面体系，与实验上水的密度、界面张力， 油的密度、界面张力，油水的界面张力相对比，获得油水体系力场参数。
4)在Materials Studios软件中构建粗粒化模型，是在固体表面放置水滴或油滴，所述 水滴或油滴的直径不小于5nm，所述固体表面的长宽不小于水滴或油滴直径的2.5倍，且越 大越好。
5)对建立含有水的粗粒化模型，运用Materials Studios软件中Mesocite模块进行分子 力学优化和分子动力学模拟，调整水-固体表面的相互作用强度D0，获得不同D0下水在固 体表面的水润湿角。具体的，将所述水-固体表面的相互作用强度D0分别调整为0.05、0.10、 0.15、0.20、0.25、0.3、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、 0.90、0.95、1.0。
6)对建立含有油的粗粒化模型，运用Materials Studios软件中Mesocite模块进行分子 力学优化和分子动力学模拟，调整油-固体表面的相互作用强度D0，获得不同D0下油滴在 固体表面的油湿角。具体的，将油珠子CT及油珠子CM与固体表面的相互作用强度D0分 别调整为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.3、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.6。
7)基于理论上和实验上水润湿角与油湿角之间的关系，最终建立水-固体相互作用及油 -固体相互作用的关系。
所述理论上和实验上水润湿角与油润湿角之间的关系为公式3和公式4：
σwa cosθwa＝σow cosθow+σoa cosθoa      (3)
cos θ wa = [ 1 - ( σ oa - σ ow ) / σ wa 2 ] cos θ ow + [ 1 + ( σ oa - σ ow ) / σ wa 2 ] . - - - ( 4 ) ]]>
其中，σwa、σow和σoa分别代表水气界面张力、油水界面张力和油气界面张力，θwa，θow，θoa分别表示水气接触角、油水接触角及油气接触角。
步骤5)、6)中，所述分子力学优化方法选择Smart Minimizer方法。
所述分子动力学模拟的具体参数设置为：模拟系综选择正则系综(NVT)；温度设置 为298K，控温方法选择Berendsen方法，时间步长设置为20fs，模拟实验4ns。
分子力学优化和动力学模拟过程中，粗粒化珠子之间范德华相互作用采用Bead-based 求和方法进行计算。
实施例1
诸多现象涉及到油-水-固三相体系，例如非水相液体处理、水驱、纳米颗粒在油水界面 的吸附等。但不同润湿性固体表面-油-水三相体系粗粒化力场的开发不完善，因此开发相应 的不同润湿性固体表面-油-水三相体系粗粒化力场具有广阔的应用前景。本发明利用计算机 模拟技术提出了一种通过理论和实验上水润湿性及油润湿性的关系建立粗粒化力场的方法。 为获取上述粗粒化力场，总体设计方法如图2，具体实施步骤如下：
首先，建立油水体系粗粒化力场。建立水体相模型和水气界面模型，通过对水体相模型 的密度与水气界面模型的界面张力与实验的水相的密度、水气界面张力进行对比，获得水珠 子(W)之间的力场参数。
同样的，建立油体相模型和油气界面模型，通过对油体相模型的密度与油气界面模型的 界面张力与实验的油相的密度、油气界面张力进行对比，获得油珠子(CT、CM)之间的力 场参数。
同样的，建立水-油界面模型，通过水-油界面张力与实验对比，获得油珠子与水珠子之 间的力场参数。
其次，应用Materials Studios软件中构建如图1所示模型，固体表面长宽为20nm，并在 其上部放置直径为8nm的水滴或油滴，其中所述油选择粗粒化的壬烷和十二烷，所述壬烷 的粗粒化为CT-CM-CT，所述十二烷的粗粒化为CT-CM-CM-CT。
水珠子(W)与固体表面的相互作用强度D0调整为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.3、 0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0。
油珠子(CT、CM)与固体表面的相互作用强度D0分别调整为0.05、0.10、0.15、0.20、 0.25、0.3、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.6。
运用Materials Studios软件中Mesocite模块，对模型中的含水粗粒化模型及含油粗粒化 模型分别进行分子力学优化和分子动力学模拟，调整水-固体之间的相互作用强度D0，获得 不同D0下水在固体表面的润湿角；调整油-固体之间的相互作用强度D0，获得不同D0下油 在固体表面的润湿角。分子力学优化选择Smart Minimizer方法。分子动力学模拟的具体参 数设置为：模拟系综选择正则系综，温度设置为298K，控温方法选择Nose方法，时间步 长设置为20fs，模拟时间为4ns，最后1ns用于数据分析。粗粒化珠子之间范德华相互作用 采用Bead-based求和方法进行计算。测量不同水-固D0下水的接触角，得到水-固相互作用 强度D0与水湿角之间的关系，如图3；测量不同油-固D0下油的接触角，得到油-固相互作 用强度D0与油湿角之间的关系，如图4。
最终，基于实验上的公式3、4，以及水固相互作用强度与水润湿角之间的关系和油固 相互作用强度与油湿角之间的关系，建立水固相互作用强度与油固相互作用强度之间的联 系，结果如图5所示。结合油水体系力场，得到不同润湿性条件下油-水-固三相体系的粗粒 化力场。
本发明基于润湿角之间的关系建立了不同润湿性固体表面-油-水三相体系力场，该方法 扩展了粗粒化开发的方法，粗粒化力场开发过程中不仅考虑一些现有的物质的热力学条件， 某些关系也要应用到力场开发过程中。因此，本发明为粗粒化力场的开发提供了一种新方法。
以上实施例仅是本发明简单的应用到油水固体系，应当指出，本发明不限于上述实施 例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱 离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。