一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法。所述方法包括如下步骤：构建玻璃的无定形初始结构模型；依据初始玻璃原子的种类选取玻璃的各原子之间相互作用力的势函数，进行修正处理，得到的修正后的势函数；使用修正后的势函数，将无定形初始结构模型演变为玻璃结构，收集玻璃结构的原子坐标信息；将原子坐标信息输入可视化软件VMD中，得到玻璃分相结构图，进而得到玻璃分相的微观结构信息。本发明专利技术基于分子动力学理论，通过分子动力学模拟方法得到玻璃原子层面的结构分相信息，弥补了实验研究无法实现原子级结构分析的不足，有助于更加准确认识玻璃结构分相行为，对玻璃分相进行调控。玻璃分相进行调控。玻璃分相进行调控。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法


[0001]本专利技术属于玻璃材料领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法。

技术介绍

[0002]含氟氧化物玻璃是一种综合了氟化物玻璃和氧化物玻璃优点的光学材料，其最突出的特点是玻璃成分极大范围的可调性带来了其一系列光学性质的可调性，从而使其应用范围极其广泛。然而，含氟氧化物玻璃容易形成氟离子团聚分相，严重降低了含氟氧化物玻璃的光学性能。所以，调控含氟氧化物的玻璃组成对于结构分相的影响至关重要。
[0003]随着计算机硬件和计算机运算速度的进步，与此同时各种计算原理和理论模拟技术逐渐成熟，计算材料学开始逐渐成型。计算材料学能够通过计算机模拟不同的真实实验，同时能够清晰准确的认识微观结构，能够模拟出大量实际中没法完成的实验，计算出不同模型的性质，从而大大节省实验时间，提高实验效率。在玻璃领域中，研究者通过计算机对玻璃进行分子动力学模拟(MD)，获得玻璃体系中各个原子运动轨迹的全面信息，进而用统计学方法去处理这些数据信息便可获得模型体系中组分对结构变化的影响。例如，获得径向分布函数、键角分布、配位数分布等一系列能够表征玻璃内部结构的参数，通过分析这些参数，不断调整组分设计，优化玻璃的内部结构，使其达到我们的需求。
[0004]根据对玻璃形成能力的影响不同，含氟氧化物玻璃中的离子可分为三类：第一类为网络形成体，它们能单独生成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系。第二类为网络外体或网络修饰体，它们不能单独形成玻璃，但能改变玻璃的性质，其阳离子处于玻璃结构网络外，称为网络修饰离子。第三类为网络中间体，其作用介于玻璃生成体和网络外体之间，在一定的条件下都能形成自己的四面体结构，使已断裂变短的链连接起来，可以增加玻璃的稳定性。含氟氧化物玻璃中玻璃生成体、网络修饰体、网络中间体比例的不同会直接影响玻璃内部结构的不同。现有对玻璃分相的研究可使用EM、SAXS、VLS(可见光散射)等检测技术进行，观察其分相形状、数量、粒度分布等，但是这些测试昂贵、难预约、周期长，最后只能得到简单的分相结构形貌特征(分子动力学模拟氧化铝薄膜空间结构特征的方法及系统(CN114528713 A)；一种基于分子动力学模拟探究体系中各原子扩散性质的方法(CN 110021380 A)；基于分子动力学模拟的改性沥青性能预测方法(CN 110491452 A))。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法。该方法通过采用分子动力学模拟，选取原子间的力场函数，设定模拟参数和方法步骤，直接得到含氟氧化物玻璃体系中各个原子的位置信息，通过可视化软件，可以准确得到玻璃结构的分相特征，从而为调控分相提供指导。
[0006]本专利技术使用分子动力学模拟技术不仅可以得到含氟氧化物玻璃分相结构的形貌特征，还可以得到原子层面的结构参数，有利于进一步分析分相结构特征。
[0007]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0008]一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，包括如下步骤：
[0009]S1、通过PACKMOL软件构建玻璃的无定形初始结构模型，根据实验测试的玻璃密度，确定无定形初始结构模型的边长，并导出初始玻璃原子的坐标文件；
[0010]S2、依据步骤S1中初始玻璃原子的种类选取玻璃的各原子之间相互作用力的势函数，进行修正处理，得到的修正后的势函数；
[0011]S3、通过分子动力学模拟使用步骤S2中得到的修正后的势函数，将步骤S1中的无定形初始结构模型演变为玻璃结构，收集玻璃结构的原子坐标信息；
[0012]S4、将步骤S3中收集的原子坐标信息输入可视化软件VMD中，得到玻璃分相结构图，进而得到玻璃分相的微观结构信息。
[0013]进一步地，步骤S1中，所述玻璃是指含氟氧化物玻璃，包括氟磷酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃或氟硼酸盐玻璃。
[0014]进一步地，步骤S2中，玻璃原子的种类包括网络形成体、网络修饰体和网络中间体。
[0015]进一步地，网络形成体包括P、Si和B；网络修饰体包括碱金属以及碱土金属元素；网络中间体包括Al、Ti、Pb和Ga。
[0016]进一步地，步骤S2中，选取的势函数为Buckingham势函数，势函数表达式为：
[0017][0018]其中，r表示原子i和原子j的距离，q
i
和q
j
分别表示原子i和原子j的带电量，A
ij
、B
ij
、C
ij
为原子i和原子j之间的Buckingham势参数。
[0019]进一步地，步骤S2中，所述修正处理是对Buckingham势进行修正处理，修正式的形式如下：
[0020][0021]其中，D
ij
、n
ij
、E
ij
为原子i和原子j之间的修正参数，修正参数在修正函数和势函数的一阶导数和二阶导数连续时取得。
[0022]进一步地，步骤S3中，将步骤S1中的无定形初始结构模型演变为玻璃结构先在5000K中弛豫500ps，再由5000K下降到300K，下降速率为0.2K/步，步长为2fs，达到300K后弛豫20ps。
[0023]进一步地，步骤S4中，所述微观结构信息是指描述玻璃分相特征的结构表征参数，包括配位数和结构团簇率。
[0024]进一步地，所述配位数是指一个氟离子的最近邻原子层中其他氟离子的个数，由公式(3)计算得到：
[0025][0026]其中，ρ为该玻璃的密度，g(r)为氟
‑
氟的径向分布函数，r0为径向分布函数第一个峰值后的最小值。
[0027]进一步地，所述结构团簇率表征玻璃结构中氟离子的聚集程度，由公式(4)计算得
到：
[0028][0029]其中，CN
F
‑
F
是氟
‑
氟的配位数，r
c
是计算CN
F
‑
F
时采用的截距半径；N
F
表示玻璃的无定形初始结构模型体积V
box
内氟原子的个数。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和效果：
[0031]本专利技术提供了一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，该方法能够采用分子动力学模拟得到含氟氧化物玻璃内原子位置信息，通过可视化软件清楚看到原子层面的玻璃结构，通过计算得到配位数、结构团簇率等结构信息。全程在不通过实际实验的基础上获得含氟氧化物玻璃的结构分相信息，大大降低了实验成本，根据这些信息改进组分，可用于调控含氟氧化物玻璃分相。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例中的一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法流程图。
[0033]图2为本专利技术实施例中组分为20Al2O3％的输出的结构数据在可视化软件VMD中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建玻璃的无定形初始结构模型，根据实验测试的玻璃密度，确定无定形初始结构模型的边长，并导出初始玻璃原子的坐标文件；S2、依据步骤S1中初始玻璃原子的种类选取玻璃的各原子之间相互作用力的势函数，进行修正处理，得到的修正后的势函数；S3、通过分子动力学模拟使用步骤S2中得到的修正后的势函数，将步骤S1中的无定形初始结构模型演变为玻璃结构，收集玻璃结构的原子坐标信息；S4、将步骤S3中收集的原子坐标信息输入可视化软件中，得到玻璃分相结构图，进而得到玻璃分相的微观结构信息。2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，其特征在于，步骤S1中，所述玻璃是指含氟氧化物玻璃，包括氟磷酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃或氟硼酸盐玻璃。3.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，其特征在于，步骤S2中，玻璃原子的种类包括网络形成体、网络修饰体和网络中间体。4.根据权利要求3所述的一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，其特征在于，网络形成体包括P、Si和B；网络修饰体包括碱金属以及碱土金属元素；网络中间体包括Al、Ti、Pb和Ga。5.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，其特征在于，步骤S2中，选取的势函数为Buckingham势函数，势函数表达式为：其中，r表示原子i和原子j的距离，q
i
和q
j
分别表示原子i和原子j的带电量，A
ij
、B
ij
、C
ij
为原子i和原子j之间的Buckingham势参数。6.根据权利要求5所述的一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东丹，伦振杰，吴敏波，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：