[发明专利]一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，尤其涉及一种利用LAMMPS和VMD及OVITO软件研究纳米物质在水环境中相互作用的方法。

背景技术

随着纳米科技的发展，大量纳米材料会直接或间接进入水环境系统，与环境本底纳米污染物相互作用。由于纳米污染物特异理化性质(小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)，纳米材料与环境本底纳米污染物结合体的潜在危害对水环境安全提出了新的挑战。为了确保纳米技术作为可持续发展的有利工具而非环境的负担，研究纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中的相互作用机制尤为迫切。分子动力学模拟是从原子分子水平探索物质微观作用本质的有效手段，弥补了现有实验技术不能从原子分子水平上，定量揭示水环境中纳米物质动态变化特征及相互作用机理的不足。为水环境生态安全性的保障和纳米技术的可持续发展提供了理论基础。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用LAMMPS计算软件和VMD及OVITO分析软件在计算服务器上模拟纳米物质在水环境中相互作用的方法，从原子分子水平上定量分析纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性保障和纳米科技可持续发展奠定了理论基础。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用计算机模拟纳米材料与环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的方法，包括以下步骤：

步骤一、构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义；

步骤二、采用能量最小化方法对模型进行优化，使其结构更加真实可靠；

步骤三、参考实验研究，在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件。

步骤四、通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件考察纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用。

本发明针对天然水环境中典型纳米材料与环境本底纳米污染物，将分子动力学模拟同实验研究、理论模型结合，研究纳米材料与环境本底纳米污染物的相互作用机理，从本质上考察了纳米污染物在水环境中的协同污染效应，为水环境生态安全性保障和纳米科技可持续发展奠定了理论基础。

利用本发明所述的方法进行纳米材料同环境本底纳米污染物在水环境中相互作用的模拟与传统方法相比，具有以下显著的优越性：

（1）可以在分子原子水平上研究纳米材料同环境本底纳米污染物的相互作用，以及在这个过程中水分子及离子所起的作用；

（2）可以计算纳米材料同环境本底纳米污染物相互作用的能量，从能量的角度来研究相互作用；

（3）在原子分子水平上直观形象的理解纳米材料同环境本底纳米污染物的相互作用；

（4）此研究结果准确可靠，可在水处理领域及与纳米溶液相关的生命科学、物理化学等领域得到应用。

附图说明

图1为t=1 ns时纳米二氧化钛颗粒与TNB及离子的相对位移快照图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式利用LAMMPS计算软件（http://lammps.sandia.gov/）和VMD（http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/）及OVITO（http://www.ovito.org/）分析软件在计算服务器上模拟纳米物质在水环境中相互作用，主要包括以下几个方面：

一、构建水环境中纳米材料与环境本底纳米污染物的几何模型，并赋予其物理意义；

二、采用能量最小化方法对模型进行优化，使其结构更加真实可靠；

三、参考实验研究，在与真实环境一致的热力学参数下，进行分子动力学模拟计算，得到各原子的运动轨迹文件及相关计算文件；

四、通过模拟所得到的运动轨迹文件及相关计算文件，考察纳米材料与环境本底纳米污染物相互作用的动力学特征及关键作用。

具体步骤如下：

（1）通过Materials studio 的Materials Visualizer模块构建纳米材料的几何模型及环境本底纳米污染物模型，不同纳米物质几何模型不同，金属纳米物质通常构建为纳米颗粒，并根据所研究的水溶液中pH值的不同，在纳米材料表面构建不同数目的羟基。