《類水滑石功能材料理論模擬的通用分子力場設計》是依託北京化工大學，由鄢紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：類水滑石功能材料理論模擬的通用分子力場設計
- 依託單位：北京化工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：鄢紅
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
因其豐富多變的可調變性能，類水滑石(LDHs)已成為層狀材料插層結構構築的模板，在諸多研究領域取得長足進展。但由於結構的複雜性，利用實驗手段完全表征LDHs結構目前還十分困難。本研究擬從最常見的Mg-Al-LDHs出發，以量子化學計算和實驗數據為依據，發展一種適用於包含不同金屬離子的LDHs的通用分子力場。選用合適的勢函式，根據LDHs層板中的八面體六配位結構對勢函式進行參數化處理，並且進行標度，使LDHs的結構模擬擺脫金屬原子類型的限制，使主體層板中的八面體六配位結構在模擬過程中保持穩定，對層板中原子之間鍵合方式的描述更加符合實際，並能準確地模擬層間陰離子的排布和取向。此研究將大大拓展LDHs材料分子模擬的時間和空間尺度，為認識LDHs材料的微觀結構，以進一步拓展材料的功能性提供豐富的理論信息和指導。
結題摘要
類水滑石（LDHs）作為層狀材料插層結構構築的模板，目前已在催化、光、電、磁功能材料、納米材料等諸多研究領域受到廣泛關注。但由於結構的複雜性，利用實驗手段完全表征LDHs結構目前還十分困難。本項目以量子化學計算和實驗數據為依據，發展了適用於包含不同金屬離子的LDHs結構模擬的通用分子力場LDHFF。我們選擇了PCFF力場（the polymer consistent force field，PCFF）作為新LDHFF力場勢函式的基礎形式，鍵角彎曲能項採用了雙阱勢來描述八面體結構單元中的O－M－O角。採用密度泛函方法（DFT）通過對含不同層板元素的LDHs體系主體團簇模型的電子結構進行詳細研究、分析，得到力場參數，包括鍵伸縮常數，鍵角彎曲項，交叉作用項，非鍵作用項等參數。為了檢驗力場參數是否可有效地用於模擬LDHs體系，使用LDHFF力場對含簡單陰離子的LDHs做分子動力學模擬，將模擬的晶格參數，振動頻率，相對結合能等性質與實驗結果對比。結果表明模擬的晶胞參數與實驗值非常吻合；主體層板的振動和層間陰離子的振動頻率和模式與實驗手段所測十分接近；而長時間動力學模擬中，金屬離子始終保持在層板中，層板的八面體六配位結構保持穩定。因此LDHFF可以準確有效地模擬LDHs體系的結構。與前人力場相比，在結構的計算精度以及長時間的MD模擬中的穩定性有很大的提高。在此基礎上，我們利用LDHFF對實際體系，如層間螢光物質與表面活性劑共插層LDH體系、量子點（QD）插層LDH納米材料、聚醋酸纖維素（CA）插層類水滑石氣密性材料體系進行了分子動力學模擬，取得了良好的效果。研究結果很好地闡釋了LDH複合功能材料的結構與性能的關係。本項目的研究使LDHs的結構模擬擺脫金屬原子類型的限制，使主體層板中的八面體六配位結構在模擬過程中保持穩定，對層板中原子之間鍵合方式的描述更加符合實際，準確地模擬層間陰離子的排布和取向。從而大大拓展了LDHs材料分子模擬的時間和空間尺度，為認識LDHs類材料的微觀結構，以進一步拓展材料的功能性提供了豐富的理論信息和指導。
