基于Forcite模塊的分子動力學研究藥劑與礦物相互作用實例（一）

關鍵詞：相互作用 MS  Forcite 分子動力學 徑向分布   筆名：楊過

Forcite模塊是分子動力學計算的主要模塊，研究范圍廣，可以對多種周期性體系進行計算分析，在礦物分選領域中主要是計算分析藥劑與礦物相互作用，在不同計算參數(shù)條件下可以實現(xiàn)藥劑與礦物相互作用模型的預測與分析，從而得到表面相互作用機理。

因此，本文主要講述運用Forcite模塊對藥劑與礦物相互作用計算過程分析。選取氯化膽堿-丙二酸（1:2）作為藥劑，礦物選取氧化鋅，對其進行模型搭建與計算。

首先將計算表面能得到的氧化鋅（001）面完全解理面進行擴胞，建立6×6×4超胞模型，并運用Castep模塊進行優(yōu)化計算，然后通過Build layers將優(yōu)化好的氯化膽堿-丙二酸（1:2）添加到已經(jīng)擴胞優(yōu)化好的氧化鋅（001）超胞表面，并添加一定的真空層厚度避免周期性邊界條件下力場的重復干擾。對搭建得到的模型進行幾何結構優(yōu)化，通過不斷優(yōu)化確定了最優(yōu)的力場參數(shù)為CompassⅡ，選擇Forcefield assigned電荷分布方法，Smart優(yōu)化計算方法。進行分子動力學計算時選擇NVT系綜，溫度控制選擇NHL，求解牛頓運動方程應用Velocity Verlet 算法，靜電力描述選擇Ewald 方法，范德華作用力求解選擇Atom-based 方法，截斷半徑為9.5 Å。總模擬時間為 1500 ps，每一步驟時間為 1 fs，總的模擬步驟為 1500000，最終得到穩(wěn)定的相互作用體系并對其相互作用機理進行計算分析。

ChCl-2MA在ZnO(001)面動力學模擬(左：能量變化 右：溫度變化)

由上圖可以看出， ChCl-2MA與氧化鋅在進行NVT系綜模擬之后，分子間各種能量不斷變化，最終氧化鋅與ChCl-2MA相互作用體系相互作用能量在一定范圍內趨于穩(wěn)定。同時，ChCl-2MA與氧化鋅分子動力學模擬過程中溫度在300 K范圍內變化， 表明相互作用體系溫度變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

     

ChCl-2MA與ZnO(001)面吸附模型（左：相互作用前 右：相互作用后）

由上圖可以看出ChCl-2MA在ZnO(001)上下表面發(fā)生相互作用。通過多重氫鍵相結合的ChCl-2MA低共熔溶劑在與ZnO(001)面相互作用過程中發(fā)生分解。其中氯化膽堿中的Cl和氫鍵供體作用在Zn突出表面，氯化膽堿中的膽堿陽離子作用在ZnO(001)面中O突出表面，膽堿陽離子中的部分C-H鍵與氧化鋅表面上的O形成多重氫鍵吸附在氧化鋅表面。

ZnO(001)面與ChCl-2MA徑向分布圖

由上圖可以得出ChCl-2MA低共熔溶劑與氧化鋅相互作用共分為三部分， ChCl-2MA中的Cl和C=O中的O與氧化鋅中的Zn之間的距離在3~3.5內并且介于兩種原子的共價鍵半徑之和之間，表明Cl、O與Zn以化學作用的形式相互結合。而氧化鋅中的氧原子與兩種羧酸類低共熔溶劑中膽堿陽離子上的C-H、O-H以氫鍵方式相結合。通過徑向分布圖中各種相互作用的峰值可以看出Cl與Zn之間的相互作用占據(jù)主導地位，O…H次之，O-Zn最弱。由此說明氧化鋅與ChCl-2MA相互作用形式既有化學作用又有物理作用，其中化學作用強度大于物理作用。

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