铝硅矿物与药剂界面作用的分子模拟研究.doc

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1、铝硅矿物与药剂界面作用的分子模拟研究为了进一步分析药剂与矿物间的作用方式，本文对一水硬铝石和高岭石的晶体结构和表面性质进行量子化学计算，建立、优化药剂药剂分子，并对药剂与晶面间的作用进行动力学模拟。通过计算结果分析药剂与矿物表面间的吸附状态，和能量变化。本文主要用到了MaterialsStudio(MS)软件中的CASTEP模块，DMol3模块，和Discover模块。CASTEP(CambridgeSequentialTotalEnergyPackage)是MalerialsSludio的疑子化学模块之一・，它主要基于密度泛函、平面波喷势理论。CASTEP的密度泛函理论(

2、DFT)是电荷密度泛函理论在局域电荷密度近机(LDA)和广义梯度近视(GGA)的版本。LDA是第一阶梯，它仅仅采用空间点r处的电子密度n(r)来决定那点交换•相关能密度的形式。交换•相关能密度由密度相同的均匀电子气完全确定。泛函的交换部分就准确的用肉匀电子气的微分表达。广义梯度近GGA(GcncraliscdGradientApproximation),是阶梯的第一个台阶，将电子密度的梯度也作为-•个独立的变a(

3、Vn(r)

4、),在描述交换一相关能方面，梯度引入了非定域性。GGA泛函包含了两个主耍的方向：一个称为“无参数”，泛函中新的参数通过已知形式中参数或在其它准确理论帮

5、助下得到。另外一个就是经验方法，未知参数來自于对实验数据的拟和或通过对原子和分子性质准确的计算。LDA说起來是一个相对简单且简化的近似，然而它在预测晶休材料的机械结构(如晶格常数abc,a,B,Y)及能带结构等有出乎意料的成功，GGA是泛指以增加与电荷密度梯度有关的量來对LDA的缺点加以改进，GGA的交换相干能就泛函，不再是只跟空间中局部位置点上的密度P之大小有关，也还要跟该位置点上的密度梯度—之大小有关，对键能的计算会较为精确点。GGA版本有好几种，并不一定比I.DA结果好，但是在量子化学中广泛采用的GGA。CASTEP模块广泛应用于陶瓷.半导休、金属，矿物，沸石.液晶等

6、多种材料，能对品体材料的性质(半导体、陶瓷、金属、矿物，分子筛等)表面和表面車构的性质、表而化学、电子结构(能带及态密度)、晶体的光学性质、点缺陷性质(如空位、间隙或取代掺杂)、扩展錶陷(晶粒间界、位错)、体系的三维电荷密度及波函数等进行研究。Dmol3模块独特的密度泛函(DFT)M子力学程序，是唯一可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、半导体.分子反应等，也可预测诸如溶解度、燕气压、配分函数、溶解热、混合热等性质。可计算能带结构、态密度，基于内坐标的算法强健高效，支持并行计

7、算，可以大大加快计算速度。Discover&MaterialsStudio的分了力学计算引擎，它使用了多种成熟的分子力学和分子动力学方法，这些方法被证明完全适应分子设计的需要。以多个经过仔细推导的力场为基础,Discover可以准确地讣算出最低能量构象，并可给岀不同系综下体系结构的动力学轨迹。COMPASS力场(Condensed・phascOptimizedMolecularPotentialforAtomisiticSimulationStudy)是Discover中常用力场，是第一个山凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并验证的从头算力场。使用这个力场

8、可以在很大的温度、压力范困内精确地预测出孤立体系或凝聚态体系中各种分子的构象、振动及热物理性质。Discover还提供强大的分析工具，可以对模拟结果进行分析，从而得到各类结构参数、热力学性质、力学性质、动力学量以及振动强度等。基于以上各个模块的计算特性，选用CASTEP模块对品体结构进行优化,DMoI3模块对晶体的性质进行简单计算分析，对季镀盐分子、淀粉片段进行结构优化和性质计算，用Discover模块对药剂与品体断面间作用进行动力学模拟,并对计算结果进行分析。5.1高岭石和一水硬铝石晶体建模与优化5.1.1高岭石的晶体建模与优化本节以实验测定的数据为基础，建立了高岭石的空

9、间晶胞结构，商岭石属三斜晶系，品格参数为:a=5.15A,b=&94人c=7.39A,a=91.93°,P-105.04°,y=89.80°，晶体空间点群呈Cl对称阳，其结构如图5・1所示。图5・1鬲岭石晶胞结构木节采用CASTEP模块，应用第一性原理，对品胞参数、原子坐标进行全优化，找到晶胞能量相对最低的状念，并尽量确保优化后的晶胞参数误差在2%范田以内，得到更加理想的高岭石晶体模型结构.在优化过程中确定优化参数，下而足设置不同的近似函数(LDA,GGA)、K-point>energycutoff.收敛精度时得到