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分子動(dòng)力學(xué)模擬不同濃度仿生黏液-水界面的界面張力
來源：潤滑與密封 瀏覽 852 次 發(fā)布時(shí)間:2025-04-14
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，仿生表面在體育、醫(yī)療、化學(xué)、軍事發(fā)展和交通等方面表現(xiàn)出了極為可觀的應(yīng)用前景并吸引了許多研究者。與此同時(shí)，水下浸沒的固體仿生表面對(duì)其實(shí)現(xiàn)減阻功能起著至關(guān)重要的作用，而界面的穩(wěn)定性直接影響界面的疏水和滑移性能。許多因素如沖擊、靜水壓力、流體流動(dòng)等都容易引起超疏水界面失穩(wěn)。BICO等定性地說明了側(cè)壁結(jié)構(gòu)(突出的尖角)能夠釘扎液氣界面，有利于液氣界面保持穩(wěn)定。NOSONOVSKY從系統(tǒng)最小自由能出發(fā)揭示了液氣界面穩(wěn)定性判據(jù)，提出了壁面多級(jí)多尺度微結(jié)構(gòu)有助于防止液氣界面失穩(wěn)。WHYMAN、BORMASHENKO從能量的角度說明了側(cè)壁次級(jí)微結(jié)構(gòu)能夠增大系統(tǒng)從Cassie-Baxter(CB)狀態(tài)向Wenzel(W)狀態(tài)的浸潤轉(zhuǎn)變的能量勢壘，為了維持超疏水特性，需要維持Cassie-Baxter狀態(tài)氣層的穩(wěn)定性，從而有效避免液氣界面失穩(wěn)。WU等基于熱力學(xué)原理提出液滴浸潤多級(jí)微結(jié)構(gòu)的理論模型，得到了側(cè)壁次級(jí)微結(jié)構(gòu)有助于增大液氣界面在壁面上的接觸角和增大系統(tǒng)浸潤轉(zhuǎn)變能量勢壘的結(jié)論?，F(xiàn)有的這些工作表明界面穩(wěn)定性對(duì)界面的疏水和滑移性能起著至關(guān)重要的作用。然而，目前的研究尚不完善，在微觀方面缺乏研究，沒有從分子動(dòng)力學(xué)方面對(duì)界面穩(wěn)定性展開詳細(xì)分析。
本文作者運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，采用透明質(zhì)酸溶液模擬仿生黏液，構(gòu)建不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下仿生黏液體系的模型，考察仿生黏液體系與水相界面行為隨時(shí)間的變化規(guī)律；采用勢能函數(shù)模型，通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿生黏液-水界面張力和界面相互作用能等參數(shù)表征了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的透明質(zhì)酸仿生黏液對(duì)界面穩(wěn)定性的影響；同時(shí)考察了透明質(zhì)酸和水分子之間的相互作用的強(qiáng)弱關(guān)系，分析了質(zhì)量比為1∶10的體系中透明質(zhì)酸和水分子之間的徑向分布函數(shù)(RDF)。體系中水分子遷移越快，仿生黏液擁有更好的疏水性，文中還分析了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿生黏液體系中水分子在透明質(zhì)酸周圍的均方位移(MSD)，為設(shè)計(jì)多級(jí)微結(jié)構(gòu)表面仿生黏液-水界面穩(wěn)定性提供了思路。
模擬條件
分子力學(xué)方法首先通過計(jì)算分子各種可能構(gòu)象的勢能，得到分子勢能最低的構(gòu)象，即最穩(wěn)定的構(gòu)象，該過程被稱為能量最小化。該模型的結(jié)構(gòu)和能量最小化在Forcite模塊中進(jìn)行，采用的都是Smart geometry optimization對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。該優(yōu)化能夠較好地消除因搭建模型過程中可能造成的分子重疊、結(jié)構(gòu)不合理等引起的高能構(gòu)象，從而保證隨后的分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠正常運(yùn)行。Smart geometry optimization采用最速下降法、共軛梯度法和牛頓法對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)化后，在正則系綜(NVT)下進(jìn)行了200 ps的分子動(dòng)力學(xué)模擬，T=298 K，模擬步長設(shè)定為1 fs。采用Nose控溫法來控制溫度，范德華相互作用用Atom based方法計(jì)算，靜電相互作用用Ewald方法計(jì)算，截?cái)嗑嚯x選為1.85 nm。系統(tǒng)達(dá)到平衡后，最后在平衡構(gòu)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行150 ps的等溫等壓系綜(NPT)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，記錄數(shù)據(jù)用作后續(xù)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析。
在計(jì)算界面張力時(shí)，首先對(duì)界面張力的初始模型進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)其進(jìn)行300 ps的NPT模擬，溫度取298 K，目標(biāo)壓力為1.013 25×105Pa，壓力控制方法為Berendsen法控壓。然后對(duì)最后一幀進(jìn)行200 ps的NVT分子動(dòng)力學(xué)模擬，范德華相互作用(vdW)選用Atom based方法計(jì)算，靜電相互作用選用Ewald方法，然后提取x、y、z坐標(biāo)軸方向的分壓，用于計(jì)算界面張力。
界面張力
分子動(dòng)力學(xué)中認(rèn)為界面張力與不同方向上的壓力張量有關(guān)，仿生黏液透明質(zhì)酸體系-水的界面張力通過KIRKWOOD和BUFF提出的力學(xué)定義來進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)5個(gè)不同質(zhì)量比的體系在平衡后200 ps的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了一個(gè)仿生黏液和水界面的界面張力平均結(jié)果，如圖1所示。可見在研究的質(zhì)量比范圍內(nèi)，透明質(zhì)酸仿生黏液與水的界面張力始終保持在(60.00±10)mN/m左右，其中透明質(zhì)酸和水分子的質(zhì)量比接近1∶10時(shí)，界面張力最小(為61.33 mN/m)。仿生黏液和水界面的界面張力越小，體系中仿生黏液和水界面的自由能就越低，界面就較穩(wěn)定。因此，可以認(rèn)為在研究的質(zhì)量比范圍內(nèi)，質(zhì)量比1∶10時(shí)，模擬黏液-水的界面穩(wěn)定性最優(yōu)。這同時(shí)也證明，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法可以初步預(yù)測仿生黏液在水體中的穩(wěn)定性。
圖1不同質(zhì)量比仿生黏液界面張力
結(jié)論
通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了不同濃度仿生黏液-水界面的界面張力、界面相互作用能、均方位移(MSD)曲線和徑向分布函數(shù)(RDF)。結(jié)果表明，仿生黏液在透明質(zhì)酸分子和水分子在質(zhì)量比為1∶10時(shí)的界面張力最小為61.33 mN/m，得到的界面最穩(wěn)定。