一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法

本发明涉及纳米材料技术、吸附材料开发以及分子动力学模拟领域，尤其涉及一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法。

背景技术：

1、多级孔炭具有由从微孔、中孔到大孔的不同尺寸尺度的相互连接的孔组成的多孔结构，结合了不同尺寸孔隙的优点，同时提供了大比表面积和低传质阻力。这些特性使其成为各种应用的理想选择，包括吸附、分离、催化、电极制造和储能等领域，特别在吸附领域具有优异的吸附能力和快速去除速率。并且多级孔结构有助于客体分子进入微孔并进行传质，从而增强吸附性能。

2、分子动力学模拟是一种强大的计算工具，在过去几十年中越来越受欢迎，相比于实验方法，分子动力学模拟能够提供对微观结构机制和分子或原子水平的动态行为的见解，弥补了现有实验技术中不能够从分子水平上描述多级孔炭材料结构特征的不足。最近，分子动力学模拟已被广泛用于阐明吸附行为的潜在机制。分子动力学模拟可以研究客体分子在多级纳米孔中的迁移和吸附行为，通过观察模拟过程中的分子轨迹、吸附动力学、位点和亲和力，以探索多级纳米孔的粒内扩散-吸附协同机制，为多级孔炭材料的设计和结构优化提供了重要的理论支持。

3、基于此，本案由此提出。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，可以应用于吸附多种物质的模拟体系，并研究其吸附特性，具有较强的灵活性和适应性，此外可以快速判断出吸附剂的吸附效果，单层碳管拼接成的多级孔炭分子量要小于传统多层炭吸附剂模型，减少了实验研发时间，显著降低了实验成本，并为多级孔炭材料的设计和结构优化提供了重要的理论支持。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，包括以下步骤：

4、s10.使用vmd软件中nanotube builder模块构建不同孔径的介孔、微孔碳管模型，再选择vmd软件上的selected atoms模块在介孔碳管壁上挖出复合微孔碳管孔径的微孔孔洞，并将微孔碳管和挖好微孔后的介孔碳管保存为pdb格式；

5、s20.利用packmal工具将微孔碳管和介孔碳管壁上的微孔孔洞拼接得到多级孔炭分子模型，并使用materials studio软件对接口进行优化，再将多级孔炭分子模型导出为mol2文件，然后将多级孔炭分子模型mol2文件导入sobtop脚本，并生成拓扑文件；

6、s30.设置分子动力学模拟参数文件，并利用materials studio软件，把得到多级孔炭分子模型的结构进行几何优化，在结构文件中添加盒子尺寸，最终得到不同拓扑结构的多级孔炭分子体系模型盒子。

7、进一步的，所述步骤s10包括以下过程：

8、打开vmd软件中的nanotube builder模块，然后在carbon nanostructure对话框中设置生成直径为长度为的微孔碳管，生成直径为长度为和直径为长度为的两种介孔碳管，每种碳管都保存成pdb文件；

9、导入直径为的介孔碳管，在selected atoms模块中，通过vmd软件范围选择语句基本语法选取指定范围，在selected atoms模块中输入“resname cnt and((x-25.03)^2+(z-16.184)^2>9.45^2)”，选择删除并保存剩余碳原子，在y轴方向，介孔壁上得到两个半径为的微孔孔洞，以此类推得到其他微孔孔洞，将挖好微孔孔洞后的介孔碳管保存成pdb文件。

10、进一步的，所述步骤s20包括以下过程：

11、在已安装gromacs软件包和packmol工具的虚拟机中，导入步骤s10中保存的微孔碳管和挖好孔洞的介孔碳管，创立packmol文件，编写packmol文件，通过packmol文件来定义碳管的摆放规则，在终端中输入packmol<packmol.inp运行packmol工具，微孔碳管和介孔碳管便根据packmol文件定义的摆放规则排列，并生成多级孔炭分子模型的pdb文件；

12、将多级孔炭分子模型的pdb文件导入materials studio软件，使用键连工具连接拼接处的碳原子，并且调整键连关系，将接口优化后的多级孔炭分子模型保存为mol2文件；

13、将多级孔炭分子模型mol2文件导入sobtop脚本，依次选择产生gromacs拓扑文件、手动设置原子类型、选择所有原子、设为ca原子类型、用预置的力场参数、产生多级孔炭分子的拓扑文件。

14、进一步的，所述步骤s30包括以下过程：

15、设置分子动力学模拟参数文件，设置多级孔炭分子模型为周期性分子，在x/y/z方向都用周期性，在结构文件中添加盒子尺寸，得到不同拓扑结构的多级孔炭分子体系模型盒子，由materials studio软件将其放在经典力场下，对其结构进行几何优化；

16、对多级孔炭分子模型盒子进行动力学计算，首先为了追求系统收敛并抵消任何显著的排斥力，能量最小化阶段的最速下降算法被配置为最大步长为0.01nm，一旦最大力阈值降至100kcal/mol以下，收敛就被认为已经发生；接着使用berendsen恒压器结合v-rescale恒温器来进行100ps的模拟，使系统能够弛豫到298k的稳定温度和1bar的恒定压力，从而消除任何结构不规则性，达到平衡稳定的状态；随后使用parrinello-rahman恒压器结合v-rescale恒温器，进行15ns的模拟。

17、本发明的优点在于：

18、1、实现了对不同拓扑结构多级孔炭分子模型体系的构建，在纳米尺度上准确构建这些复杂的多级孔结构，并且能够从原子层面解析多级孔道的尺寸、形态及其对吸附物质的选择性和吸附容量的影响；

19、2、本发明所提出的利用分子动力学模拟构建的多级孔炭分子模型可以更好地展示客体分子在多级纳米孔内的微观结构和动态轨迹行为，一遍进一步揭示其协同作用机制；

20、3、本发明方法可以应用于吸附多种物质的模拟体系，并研究其吸附特性，具有较强的灵活性和适应性；

21、4、本发明方法可以快速判断出吸附剂的吸附效果，单层碳管拼接成的多级孔炭分子模型分子量要小于传统多层炭吸附剂模型，减少了实验研发时间，显著降低了实验成本，并为多级孔炭材料的设计和结构优化提供了重要的理论支持。

技术特征：

1.一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤s10包括以下过程：

3.如权利要求1所述的一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤s20包括以下过程：

4.如权利要求1所述的一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，其特征在于，所述步骤s30包括以下过程：

技术总结本发明涉及一种构建多级孔炭分子模型的分子动力学模拟方法，使用VMD软件构建不同孔径的介孔、微孔碳管，并在介孔壁上挖出符合微孔碳管孔径的微孔孔洞，紧接着利用packmal工具将微孔碳管和介孔壁上的微孔孔洞拼接得到多级孔炭分子模型，优化后再设置参数，并使用Sobtop脚本生成拓扑文件，进行几何优化后，最终得到不同拓扑结构的多级孔炭分子体系模型盒子。实现了对不同拓扑结构多级孔炭分子模型体系的构建，在纳米尺度上准确构建这些复杂的多级孔结构，可以应用于吸附多种物质的模拟体系，可以快速判断出吸附剂的吸附效果，减少了实验研发时间，显著降低了实验成本，并为多级孔炭材料的设计和结构优化提供了重要的理论支持。技术研发人员：许豪铭,徐立恒,丁涛,魏芳,张明受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23