一种油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄，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宄范围，促进了这种方法在科学研宄和 解决实际问题中的应用。
[0003] 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，具体的科学研宄问题， 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宄无法开展。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，针对不同的研宄对象，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。
[0004] 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。这两种方法在研宄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宄提供了粗粒化 力场。
【发明内容】
[0005] 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。
[0006] -种针对油-水-固三相体系粗粒化力场的开发方法，步骤如下：
[0007] 1)建立粗粒化模型；
[0008] 2)定义力场形式；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 进一步的，所述步骤1)中建立粗粒化模型如下：水珠子W为3H20,端部油珠子CT 为CH 3-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。
[0015] 进一步的，所述步骤2)中力场形式如公式1、公式2 :
【主权项】
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MaterialsStudios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MaterialsStudios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MaterialsStudios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3H20,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 :
其中Uu12-4(R)表不与水有关的力场形式，用公式1表不；uU9_6(r)表不其它的力场形 式，用公式2表示；％表示珠子之间的相互作用强度，L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SmartMinimizer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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104573223
【申请号】CN201510002923
【发明人】张军, 王攀, 燕友果, 刘冰, 孙晓丽, 徐家放
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月4日