一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法

1.本发明涉及纳米材料计算机模拟技术领域，尤其涉及一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法。


背景技术：

2.球状纳米二氧化硅作为一种三维纳米材料，具有合成方法简单的应用优势，并具有表面羟基含量高、官能团易于修饰且生物相容性高等优点，因此在生物医学上常作为靶向递送的药物递送剂或缓释剂。作为一种低毒的生物材料，对球状纳米二氧化硅的研究得到了越来越多的关注。由于受到时间空间及技术方面的限制，通过实验的方法很难确定分子原子间的相互作用机制，对于含有其的新型冷冻保护剂的设计与开发，研究时间周期长。


技术实现要素：

3.根据上述提出的技术问题，而提供一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，本发明基于分子动力学模拟研究球状功能化纳米二氧化硅与冰-水体系相互作用的模拟方法，揭示材料与周围水环境的相互作用机制，进而指导纳米材料新型保护剂的开发。本发明采用的技术手段如下：
4.一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，包括以下步骤：
5.步骤1：建立功能化纳米二氧化硅模型，并按照功能化纳米二氧化硅模型的尺寸建立含有冰的水盒子模型，并将纳米二氧化硅模型与水盒子模型进行组装，构建二氧化硅-冰-水体系模型，将所构建模型选择合适力场并进行能量最小化优化。
6.步骤2：对能量最小化后的二氧化硅-冰-水模型进行分子动力学模拟计算，并在计算后对模型进行分析，具体包括：分析均方根偏差、均方根波动及结合能，并统计材料与体系形成氢键数量信息，基于分析数据，判断材料用于抑冰的可行性和作用效果。本发明揭示了低温下纳米材料与冰-水界相互作用的机制，对开发基于纳米材料的冷冻保护剂具有指导作用。
7.进一步地，所述功能化纳米二氧化硅模型包括建立不同表面官能团的二氧化硅纳米材料模型，表面官能团包括羟基、氨基、羧基。
8.进一步地，二氧化硅纳米材料的粒径为1～2nm。
9.进一步地，水盒子中水和冰的分子总数在8000～15000个。
10.进一步地，步骤1中，能量最小化过程使用gromacs软件进行模拟，所述力场类型为charmm27力场。
11.进一步地，步骤1中，能量最小化过程选用steep算法，最大迭代次数为50000。
12.进一步地，步骤2中，所述分子动力学模拟计算使用gromacs软件进行模拟，所述力场类型为charmm27力场。
13.进一步地，步骤2模拟过程中，系综选择为npt；温控选择v-rescale方法，温度选择为200～300k；压控选择parrinello-rahman方法，压力选择为1～400bar。
14.进一步地，步骤2中，所述的分子动力学模拟采用平衡分子动力学模拟，并着重分析其非平衡过程；
15.分子动力学模拟具体过程包括：
16.在1fs步长下进行10～150ns的模拟，并记录体系的能量与温度等参数。所述分子动力学模拟过程在1fs步长下进行10～150ns的模拟用于后续分析。
17.本发明从纳米二氧化硅的实用性出发，对不同功能化的材料进行构建并评价其在冰-水体系中的行为，进而大大降低应用成本，节约实验资源，并指导新型冷冻保护剂的设计与开发，减少从研究到产业化的时间。
附图说明
18.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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明优选实施案例提供的分子动力学模拟流程图。
20.图2为本发明优选实施案例提供的羟基功能化球状纳米二氧化硅模型图。
21.图3为本发明优选实施案例提供的二氧化硅-冰-水模型不同时刻的演化图。t＝0ns，初始结构为5.4nm*10.5nm*5.9nm的模拟水盒子；t＝100ns，明显发现材料周围出现明显未冻结的水界面，与周围冻结的冰层形成曲面结构；t＝150ns，明显发现材料大大减缓了冰层的扩散，显示出一定的抑制冰生长的能力。
22.图4为本发明优选实施案例提供的模型的均方根偏差rmsd图。
23.图5为本发明优选实施案例提供的模型的均方根波动rmsf图。
24.图6为本发明优选实施案例提供的模型的材料与水分子形成氢键图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图1所示，本实施例公开了一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，包括以下步骤：
27.步骤1：建立功能化纳米二氧化硅模型，并按照功能化纳米二氧化硅模型的尺寸建立含有冰的水盒子模型，并将纳米二氧化硅模型与水盒子模型进行组装，构建二氧化硅-冰-水体系模型，将所构建模型选择合适力场并进行能量最小化优化。
28.步骤2：对能量最小化后的二氧化硅-冰-水模型进行分子动力学模拟计算，并在计算后对模型进行分析，具体包括：分析均方根偏差、均方根波动及结合能，并统计材料与体系形成氢键数量信息，基于分析数据，判断材料用于抑冰的可行性和作用效果。本发明揭示了低温下纳米材料与冰-水界相互作用的机制，对开发基于纳米材料的冷冻保护剂具有指导作用。
29.进一步地，所述功能化纳米二氧化硅模型包括建立不同表面官能团的二氧化硅纳米材料模型，表面官能团包括羟基、氨基、羧基。
30.进一步地，二氧化硅纳米材料的粒径为1～2nm。
31.进一步地，水盒子中水和冰的分子总数在8000～15000个。
32.进一步地，步骤1中，能量最小化过程使用gromacs软件进行模拟，所述力场类型为charmm27力场。
33.进一步地，步骤1中，能量最小化过程选用steep算法，最大迭代次数为50000。
34.进一步地，步骤2中，所述分子动力学模拟计算使用gromacs软件进行模拟，所述力场类型为charmm27力场。
35.进一步地，步骤2模拟过程中，系综选择为npt；温控选择v-rescale方法，温度选择为200～300k；压控选择parrinello-rahman方法，压力选择为1～400bar。
36.进一步地，步骤2中，所述的分子动力学模拟采用平衡分子动力学模拟，并着重分析其非平衡过程；
37.分子动力学模拟具体过程包括：
38.在1fs步长下进行10～150ns的模拟，并记录体系的能量与温度等参数。所述分子动力学模拟过程在1fs步长下进行10～150ns的模拟用于后续分析。
39.实施例1
40.本实施例给出了具体的技术方案步骤：
41.(1)如图2所示，球状二氧化硅模型构建：利用materials studio软件的nanocluster模块完成球状纳米二氧化硅的构建。具体的，使用materials studio软件数据库中的sio2_21a_3d.msi作为二氧化硅的初始晶胞，使用bulid-bulidnanostructure-nanocluster模块，选择sphere，并设置初始半径，并点击bulid完成初始模型的建立。再根据实际模拟要求对所构建的模型进行修饰，如手动构建官能团信息、饱和/未饱和化学键、对不合理结构进行调整等，并进行几何优化得到较合理的球状二氧化硅模型。
42.本实施例中，设置初始半径为建立尺寸为2nm的羟基功能化的球状二氧化硅模型，并将模型中不合理的构造进行修改，并补足表面的h原子，得到用于模拟的二氧化硅模型。其表面有88个羟基官能团，基团密度约为7个/nm2，将得到的模型导出保存为pdb文件用于之后的模拟。
43.(2)二氧化硅-冰-水模型的构建：利用packmol建模软件完成冰-水模型的构建，并进行一定优化后与步骤(1)的二氧化硅纳米材料进行组装。具体的，将hayward j a,reimers j r.unit cells for the simulation of hexagonal ice[j].journal of chemical physics,1997,106(4):1518-1529.所提供的冰晶初始文件利用materials studio软件的build-symmetry-supercell模块进行扩胞到满足模拟的大小，并导出为pdb格式。另外，在materials studio中建立一个水分子模型，并导出为pdb格式。再将冰、水的pdb文件写出packmol的input输入文件中，其中水分子个数为10000个，利用packmol软件得到初始尺寸为5.4nm*10.5nm*5.9nm的水盒子，(本实施例中，还利用脚本文件将得到的spc三点水模型转换为tip4p的四点水模型，)并利用gromacs模拟软件进行能量最小化后，再使用packmol软件将水盒子与步骤(1)中的纳米二氧化硅模型进行组装，并导出pdb格式及使用vmd软件转化成gro格式，用于之后的模拟。
[0044]
本实施例中，扩胞得到5.4nm*1.5nm*5.9nm的冰层，共有1536个水分子；
[0045]
(3)体系能量最小化优化：利用gromacs对步骤(2)所得水盒子进行能量最小化。具体的，所述过程力场类型为charmm27力场，水模型为tip4p水模型，算法选择为steep，最大迭代次数为50000步。本实例约在500-1000次有限迭代步骤即将体系能量降低至10.0kj/mol。
[0046]
(4)将优化后模型进行分子动力学模拟：利用gromacs分子动力学模拟软件对能量最小化的二氧化硅-冰-水模型进行分子动力学模拟。具体的，分子动力学模拟过程使用力场类型为charmm27力场，水模型为tip4p水模型，采用npt系综完成模拟过程，该实例在不同时刻的演化图如图3所示。在npt的模拟中，模拟体系压强通过parrinello-rahman控制，模拟体系温度通过v-rescale方法进行热耦合，静电相互作用选用pme方法，范德华力采用cut-off的计算方式，计算截断值为0.1nm，计算步长选择1fs，并进行一段时间的分子动力学模拟，并取最后10ns数据用于后续分析。
[0047]
本实施例中，二氧化硅模型的lj参数等各项数据可来自emami f s,puddu v,berry r j,et al.force field and a surface model database for silica to simulate interfacial properties in atomic resolution[j].chemistry of materials,2014,26(8).
[0048]
(5)将模拟后结果进行分析，即利用gromacs和vmd等模拟预测软件，对不同功能化的二氧化硅纳米材料进行均方根偏差、均方根位移分析，并统计材料与周围体系的氢键数量及相关结合能，评价与分析各种材料的性能优异。
[0049]
本实施例中，对羟基化二氧化硅纳米材料进行均方根偏差、均方根位移分别如图4、图5所示，与水分子形成的氢键数量如图6所示。均方根偏差在0.025～0.035nm的极小范围内波动表明材料在体系中维持较好的稳定性，而较外侧原子的均方根位移波动较大，表面外侧原子与体系相互作用较为剧烈；且材料在9～10ns的时间内与水分子可形成稳定的氢键结构，约为155
±
4.6个，此结构对原体系的氢键网络起到很好的扰动作用。基于上述评价分析该材料抑冰性能优异。
[0050]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立功能化纳米二氧化硅模型，并按照功能化纳米二氧化硅模型的尺寸建立含有冰的水盒子模型，将纳米二氧化硅模型与水盒子模型进行组装，将所构建模型选择合适力场并进行能量最小化优化。步骤2：对能量最小化后的二氧化硅-冰-水模型进行分子动力学模拟计算，并在计算后对模型进行分析，具体包括：分析均方根偏差、均方根波动及结合能，并统计氢键数量信息，基于分析数据，判断材料用于抑冰的可行性和作用效果。2.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，所述功能化纳米二氧化硅模型包括建立不同表面官能团的二氧化硅纳米材料模型，表面官能团包括羟基、氨基、羧基。3.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，二氧化硅纳米材料的粒径为1～2nm。4.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，水盒子中水和冰的分子总数在8000～15000个。5.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，步骤1中，能量最小化过程使用gromacs软件进行模拟，所述力场类型为charmm27力场。6.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，步骤1中，能量最小化过程选用steep算法，最大迭代次数为50000。7.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，步骤2中，所述分子动力学模拟计算使用gromacs软件进行模拟，所述力场类型为charmm27力场。8.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，步骤2模拟过程中，系综选择为npt；温控选择v-rescale方法，温度选择为200～300k；压控选择parrinello-rahman方法，压力选择为1～400bar。9.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法，其特征在于，步骤2中，所述的分子动力学模拟采用平衡分子动力学模拟，并着重分析其非平衡过程；分子动力学模拟具体过程包括：在1fs步长下进行10～150ns的模拟，并记录体系的能量与温度等参数。所述分子动力学模拟过程在1fs步长下进行10～150ns的模拟用于后续分析。

技术总结
本发明提供一种基于分子动力学模拟预测纳米二氧化硅抑冰性能的方法。本发明包括如下步骤：建立功能化纳米二氧化硅模型，并按照功能化纳米二氧化硅模型的尺寸建立含有冰的水盒子模型，将纳米二氧化硅模型与水盒子模型进行组装，将所构建模型选择合适力场并进行能量最小化优化。对能量最小化后的二氧化硅-冰-水模型进行分子动力学模拟计算，并在计算后对模型进行分析，分析均方根偏差、均方根波动及结合能，并统计氢键数量信息，基于分析数据，判断材料用于抑冰的可行性和作用效果。本发明对不同功能化的材料进行构建并评价其在冰-水体系中的行为，进而大大降低应用成本，节约实验资源，对开发基于纳米材料的冷冻保护剂具有指导作用。作用。作用。


技术研发人员：刘洋 侯志豪 葛丹 孙冰冰
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/6