[發明專利]基于分子動力學的具有防結冰性能的圖案化表面構建方法

在審

• 申請號: 202110938346.6
• 申請日: 2021-08-16
• 公開（公告）號: CN113643763A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 沈一洲;陶杰;蔣彪;許楊江山
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G06F30/25;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安瀚匯專利代理事務所(普通合伙) 61279
• 代理人: 汪重慶

本發明屬于材料表面設計技術領域，公開了一種基于分子動力學的具有防結冰性能的圖案化表面構建方法，本發明方法采用分子動力學理論和模擬計算軟件，設計了不同間隙組態的圖案化表面與液態水接觸的非均勻形核模型，并對表面上水的結冰溫度，結冰時間以及冰型結構狀態進行仿真計算，選用計算效率更高的水分子勢能模型，基于計算結果評價圖案化表面組態對于水的非均勻形核結冰抑制性能，繼而從分子尺度解釋異質表面結冰形核的微觀機制，降低了實際試驗的資源消耗和試錯成本，并為新型圖案化防結冰表面設計的實驗探索，產品設計和工藝優化提供理論依據。

技術領域

本發明屬于材料表面設計技術領域，具體涉及一種基于分子動力學模擬具有防結冰性能的圖案化表面構建方法。

背景技術

水在過冷環境下的結冰是自然界中十分常見的一種現象，但當涉及一些不希望發生結冰的特殊工況，如飛行器、輸電設備、船舶以及道路通行等環境時，物體表面的異常結冰會造成嚴重的經濟、能源、安全問題以及環境危害。冰的性能過程復雜多樣，從形核到隨后的長大再到最后在材料表表面的粘附，最終形成不同的冰晶，這給面對不同結冰情況設計不同的防結冰材料帶來了很大的困難。因此研究過冷液滴結冰過程的分子機制、調控基材表面吸附物對冰形核過程的影響趨勢，從而拓寬該領域的理論基礎和應用基礎，在結冰機制探索以及實際抑冰應用方面都具有重要意義。

寒冷條件下生存著的耐寒生物體內普遍存在一類功能性蛋白質，稱為抗凍蛋白。人們發現這種特殊的生物蛋白質能夠特異性地吸附到冰晶表面上，以非依數性的特性來降低冰點溫度，阻止冰的繼續結晶和生長，從而保證這些耐寒生物在極寒環境中生存。受到抗凍蛋白啟發，越來越多研究者根據氧化石墨烯特有的碳骨架結構，開展了氧化石墨烯調控冰晶生長的研究，這些仿抗凍蛋白結構的石墨烯表面存在大量的無機官能團，其在冰晶表面的特異性吸附，阻礙了冰晶在過冷條件下的生長，從而達到抑制結冰的效果。

現有的研究多集中在氧化石墨烯分散溶液中的結冰過程研究，而二維材料石墨烯在固體材料表面上的結冰延遲特性鮮有研究報道，同時現有實驗方法可以通過試錯法來構建大量不同的圖案化表面，分次測試它們的防結冰性能，繼而得到影響規律。但實驗上的試錯需耗費大量的時間成本和材料成本，各種各樣的實驗環境條件也降低了實驗結論的準確性，而且冰在形核發生時的微觀機制不能得到很好的解釋。通過分子動力學方法，可以從分子層面觀察和分析問題，利于捕捉物質之間的微觀作用關系，能更接近事物發生的本質原理，而且不需耗費時機的資源，近幾十年來逐漸成為一種重要的研究方法，對于水在不同條件下的結冰微觀過程研究以及抑冰表面的先進設計是一種必要的方法。

發明內容

針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種基于分子動力學的具有防結冰性能的圖案化表面構建方法。

為實現以上目的，本發明采用如下技術方案：

基于分子動力學的具有防結冰性能的圖案化表面構建方法，包括以下步驟：

1)基于分子動力學模擬軟件LAMMPS建立不同尺寸和分布情況的石墨烯納米片-基體平面及其與水的基礎模型；

2)基于分子動力學模擬軟件LAMMPS對步驟1)中所建立的模型進行初始化準備；

3)基于分子動力學模擬軟件LAMMPS對步驟2)中設置好的體系初始狀態模型進行動力學保溫弛豫；

4)基于分子動力學模擬軟件LAMMPS對步驟3)得到的平衡態模型進行動力學降溫；

5)通過開源可視化軟件對步驟4)中得到的dump文件結果數據進行讀取，獲得體系實時的坐標原子圖像；

6)通過開源可視化軟件中的統計模塊，導出體系內各結構狀態原子的數目，整理文件數據并利用繪圖軟件繪制統計曲線，得到體系中冰粒子數與溫度變化之間的關系圖；

7)利用步驟5)和6)得到的結冰溫度和結冰始末時間，以及水分子結構狀態和冰型，評價圖案化表面組態抑制結冰性能的優劣。