CN116343931B - 一种nto晶体晶面间结合能的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法，本发明涉及结合能计算技术领域，包括：对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞并进行生长预测，得到待计算的NTO晶胞的5个主要晶面及主要晶面占总面积的百分比数值；对各个主要晶面进行切面和扩胞，得到各个主要晶面的晶面模型；对任意两个晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型；对作用模型的c参数进行调整；对调整后的作用模型依次进行几何优化和分子动力学模拟，得到分子动力学结果；对分子动力学结果进行能量分析，根据分析结果计算结合能。本发明补充了NTO晶体微观层面信息，揭示了不同晶面在晶体聚集中的作用本质，并在具体实施例中能够确定引起NTO聚集的主要晶面。
Description
技术领域
本发明涉及结合能计算技术领域，特别是涉及一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法。
背景技术
传统***在储存和运输的过程中具有安全隐患，高能钝感***在现代战争中的重要性日益凸显。3-硝基-1,2,4-***-5-酮（NTO）作为新型钝感***，已得到了广泛研究。然而，NTO分子极性较强，晶面与晶面间易形成分子间氢键作用，这使得在制备过程中晶体容易聚集，得到产物粒度大，不满足实际应用要求。
分子动力学计算方法发展已较为成熟，可用来计算微观尺度下体系的结合能。虽然已有结合能的计算方法，但同一分子的不同晶面间结合能计算未有先例，其难点在于模型的建立。晶面结构的复制会导致两个晶面晶格数据差异大，无法匹配，为建立模型设置了难题。目前，缺少一种从微观角度计算NTO晶体与晶体间通过晶面结合能的计算方法。具体细节为：
（1）缺少一种晶面间结合能的计算模型及构建方法；
（2）缺少一套表征晶面间结合能的计算流程。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法，包括：
对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞；
对所述待计算的NTO晶胞进行生长预测，得到待计算的NTO晶胞的5个主要晶面及所述主要晶面占总面积的百分比数值；
对各个所述主要晶面进行切面和扩胞，得到各个所述主要晶面的晶面模型；
对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型；所述作用模型中的晶体取向以所述百分比数值最大的晶面为基准；
对所述作用模型的c参数进行调整，以添加用于分子动力学计算的真空层；
对调整后的作用模型依次进行几何优化和分子动力学模拟，得到分子动力学结果；
对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能。
优选地，对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞，包括：
从晶体数据中心数据库中获取所述α型NTO晶胞；
根据所述α型NTO晶胞的各原子的成键方式和化学环境调整各原子力场，得到所述待计算的NTO晶胞。
优选地，所述对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型，包括：
将两个所述晶面模型的晶胞的a、b、γ参数分别取平均值作为作用模型的新的晶胞参数，以使得所述作用模型容纳两个晶面超胞结构，以得到所述作用模型。
优选地，所述真空层的厚度为20Å。
优选地，所述分子动力学模拟的模拟参数具体包括：温度为298k，步数为100000，每50步输出一帧。
优选地，对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能，包括：
对所述分析结果进行排序，选择后50000步中能量最低步对应三帧分别进行体系总能量Etot和两个晶面超胞能量El1、El2的计算；
根据公式Eint=Etot-El1-El2进行计算，分别得到三帧的结合能，并将三帧对应的结合能的平均值作为最终结果；其中，Eint为所述结合能。
优选地，在对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能之后，还包括：
根据各个作用模型的结合能计算结果进行对比，确定引发NTO聚集现象的主要晶面。
优选地，所述引发NTO聚集现象的主要晶面为（0 0 1）。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法，包括：对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞；对所述待计算的NTO晶胞进行生长预测，得到待计算的NTO晶胞的5个主要晶面及所述主要晶面占总面积的百分比数值；对各个所述主要晶面进行切面和扩胞，得到各个所述主要晶面的晶面模型；对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型；所述作用模型中的晶体取向以所述百分比数值最大的晶面为基准；对所述作用模型的c参数进行调整，以添加用于分子动力学计算的真空层；对调整后的作用模型依次进行几何优化和分子动力学模拟，得到分子动力学结果；对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能。本发明补充了NTO晶体微观层面信息，揭示了不同晶面在晶体聚集中的作用本质，并在具体实施例中能够确定引起NTO聚集的主要晶面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的计算流程示意图；
图3为本发明实施例提供的5个晶面的超胞模型示意图；
图4为本发明实施例提供的各个晶面间的结合能示意图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法，能够补充NTO晶体微观层面信息，并揭示不同晶面在晶体聚集中的作用本质，且能够确定引起NTO聚集的主要晶面。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法，包括：
步骤100：对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞；
步骤200：对所述待计算的NTO晶胞进行生长预测，得到待计算的NTO晶胞的5个主要晶面及所述主要晶面占总面积的百分比数值；
步骤300：对各个所述主要晶面进行切面和扩胞，得到各个所述主要晶面的晶面模型；
步骤400：对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型；所述作用模型中的晶体取向以所述百分比数值最大的晶面为基准；
步骤500：对所述作用模型的c参数进行调整，以添加用于分子动力学计算的真空层；
步骤600：对调整后的作用模型依次进行几何优化和分子动力学模拟，得到分子动力学结果；
步骤700：对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能。
优选地，步骤100包括：
从晶体数据中心数据库中获取所述α型NTO晶胞；
根据所述α型NTO晶胞的各原子的成键方式和化学环境调整各原子力场，得到所述待计算的NTO晶胞。
如图2所示，本实施例中首先从剑桥晶体数据中心（CCDC）数据库获得α型NTO晶胞（α型为常温下NTO的稳定晶型，更符合研究NTO聚集的一般条件），用Material Studio打开，并进行NTO原子的Force field调整，获得用以计算的NTO晶胞。Force field的调整属于现有技术，在此不再详细赘述。本实施例中依照各原子的成键方式和化学环境调整各原子力场会使得分子结构更接近实际情况，增加后续模拟计算的准确性。
进一步地，本实施例中对NTO晶胞进行生长预测。在Modules模块中选择Morphology、calculation，Task选择Growth morphology，Quality选择Fine，Energy选项卡中力场选择COMPASSⅡ，点击run，得到NTO的5个主要晶面与面积占比，如表1所示。
表1 晶面及面积占比
| 晶面 | 占总面积百分比% |
| （0 0 1） | 54.29 |
| （1 0 0） | 14.72 |
| （0 1 -1） | 14.23 |
| （0 1 0） | 13.09 |
| （1 0 -2） | 3.66 |
更进一步地，本实施例中对相应晶面进行切面、扩胞，使得各晶面U、V长度均接近20 Å。获得5个晶面的模型。
优选地，所述对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型，包括：
将两个所述晶面模型的晶胞的a、b、γ参数分别取平均值作为作用模型的新的晶胞参数，以使得所述作用模型容纳两个晶面超胞结构，以得到所述作用模型。
具体的，本实施例中在Build中选择Build layers选项，在Define Layers中依次点选要构建的两个晶面，选择“Build layer structure as a crystal”。由于两晶面取向不同，为构建合理可用于计算的模型，需要进行晶格参数的近似匹配，故在Matching选项卡中勾选Average，将两晶胞的a、b、γ参数分别取平均值作为作用模型Layer的新的晶胞参数，使得作用模型可较好容纳两个晶面超胞结构。晶体取向以模型中面积占比较多的晶面为基准。
进一步地，晶体与晶体之间的聚集微观层面上是通过两个晶面之间力的作用实现的，如图3所示，对NTO的5个主要晶面进行任意两晶面的结合能计算，比如对5个主要晶面依次编号为1到5，则需进行1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，2-3，…，4-5，5-5共15个模型的结合能计算（其中1-1，2-2等同种晶面模型则对应该晶面的生长的能量）。
可选地，随后将得到的Layer结构的c参数进行调节以添加用于分子动力学计算的真空层。真空层厚度为20 Å。操作为在Build模块Crystals选项中打开Rebuild Crystal选项卡，在Lattice Parameters中将c值增加20。
优选地，所述分子动力学模拟的模拟参数具体包括：温度为298k，步数为100000，每50步输出一帧。
具体的，本实施例中首先将结构在Forcite模块中进行COMPASSⅡ力场下的几何优化，随后进行COMPASSⅡ力场中的分子动力学模拟。选择NVT系综，298 K,步数为100000，每50步输出一帧。
优选地，对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能，包括：
对所述分析结果进行排序，选择后50000步中能量最低步对应三帧分别进行体系总能量Etot和两个晶面超胞能量El1、El2的计算；
根据公式Eint=Etot-El1-El2进行计算，分别得到三帧的结合能，并将三帧对应的结合能的平均值作为最终结果；其中，Eint为所述结合能。
优选地，在对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能之后，还包括：
根据各个作用模型的结合能计算结果进行对比，确定引发NTO聚集现象的主要晶面。
优选地，所述引发NTO聚集现象的主要晶面为（0 0 1）。
最后，本实施例中对分子动力学结果进行能量分析，在Forcite模块Analysis选项中选择Total kinetic energy。进行排序，选择后50000步中能量最低步对应三帧分别进行体系总能量Etot和两个晶面超胞能量（El1、El2）的计算。通过公式算得结合能Eint = Etot -El1 - El2，如图4和表2所示，通过15个模型的结合能结果大小对比可发现，（0 0 1）晶面是占晶面面积比例54.29%的主要晶面，且与其他晶面结合能水平较高，是引发NTO聚集现象的重要原因。
表2 晶面间的结合能数据
| Eint(kJ/mol) | (0 0 1) | (1 0 0) | (0 1 -1) | (0 1 0) | (1 0 -2) |
| (0 0 1) | -1056.58 | -873.65 | -854.3 | -874.26 | -899.88 |
| (1 0 0) | -873.65 | -902.02 | -762.14 | -721.12 | -772.66 |
| (0 1 -1) | -854.3 | -762.14 | -626.96 | -857.81 | -858.22 |
| (0 1 0) | -874.26 | -721.12 | -857.81 | -571.91 | -792.5 |
| (1 0 -2) | -899.88 | -772.66 | -858.22 | -792.5 | -770.88 |
本发明的有益效果如下：
本发明通过对构建好的晶面作用模型进行分子动力学计算，进一步揭示了NTO晶体聚集的本质，并发现（0 0 1）晶面为与其他晶面结合能力较强的晶面。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种NTO晶体晶面间结合能的计算方法，其特征在于，包括：
对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞；
对所述待计算的NTO晶胞进行生长预测，得到待计算的NTO晶胞的5个主要晶面及所述主要晶面占总面积的百分比数值；
对各个所述主要晶面进行切面和扩胞，得到各个所述主要晶面的晶面模型；
对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型；所述作用模型中的晶体取向以所述百分比数值最大的晶面为基准；
对所述作用模型的c参数进行调整，以添加用于分子动力学计算的真空层；
对调整后的作用模型依次进行几何优化和分子动力学模拟，得到分子动力学结果；
对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能；
所述分子动力学模拟的模拟参数具体包括：温度为298k，步数为100000，每50步输出一帧；
对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能，包括：
对所述分析结果进行排序，选择后50000步中能量最低步对应三帧分别进行体系总能量Etot和两个晶面超胞能量El1、El2的计算；
根据公式Eint=Etot-El1-El2进行计算，分别得到三帧的结合能，并将三帧对应的结合能的平均值作为最终结果；其中，Eint为所述结合能。
2.根据权利要求1所述的NTO晶体晶面间结合能的计算方法，其特征在于，对获得的α型NTO晶胞的NTO原子进行调整，得到待计算的NTO晶胞，包括：
从晶体数据中心数据库中获取所述α型NTO晶胞；
根据所述α型NTO晶胞的各原子的成键方式和化学环境调整各原子力场，得到所述待计算的NTO晶胞。
3.根据权利要求1所述的NTO晶体晶面间结合能的计算方法，其特征在于，所述对任意两个所述晶面模型进行晶格参数的近似匹配，得到作用模型，包括：
将两个所述晶面模型的晶胞的a、b、γ参数分别取平均值作为作用模型的新的晶胞参数，以使得所述作用模型容纳两个晶面超胞结构，以得到所述作用模型。
4.根据权利要求1所述的NTO晶体晶面间结合能的计算方法，其特征在于，所述真空层的厚度为20Å。
5.根据权利要求1所述的NTO晶体晶面间结合能的计算方法，其特征在于，在对所述分子动力学结果进行能量分析，并根据分析结果计算结合能之后，还包括：
根据各个作用模型的结合能计算结果进行对比，确定引发NTO聚集现象的主要晶面。
6.根据权利要求5所述的NTO晶体晶面间结合能的计算方法，其特征在于，所述引发NTO聚集现象的主要晶面为（0 0 1）。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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