一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法

技术领域

本发明属于玻璃材料领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法。

背景技术

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。

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。

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(CN110021380 A)；基于分子动力学模拟的改性沥青性能预测方法(CN 110491452 A))。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明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。

本发明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。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

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：

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；

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。

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。

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。

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。

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：

其中，r表示原子i和原子j的距离，q

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：

其中，D

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。

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。

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：

其中，ρ为该玻璃的密度，g(r)为氟-氟的径向分布函数，r

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：

其中，CN

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

本发明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

图1为本发明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。

图2为本发明实施例中组分为20Al

图3为本发明实施例中组分为25Al

图4为本发明实施例中组分为30Al

图5为本发明实施例中组分为35Al

具体实施方式

以下将结合附图以及实施例对本发明的具体实施做进一步说明，但本发明要求保护的范围不仅局限于此。

实施例：

在一个实施例中，使用一种基于分子动力学模拟分析玻璃分相的方法对P

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；

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。

在一个实施例中，所研究的玻璃为氟磷酸盐玻璃，玻璃成分为40P

表1玻璃模型构建信息

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；

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。

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。

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

所述修正处理是对Buckingham势进行修正处理，由于Buckingham势作用式中指数形式的存在，当两个原子相邻无限近时，原子间作用力会无限小，违反了物理规律；所以需要加入修正式对Buckingham势进行修正，修正式的形式如下：

其中，D

修正后的玻璃各原子之间相互作用力的势函数如表2所示。将已确定的修正后的Buckingham势函数写入执行Lammps运行命令的in文件。

表2修正后的玻璃各原子之间相互作用力的势函数

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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；

在一个实施例中，通过分子动力学软件Lammps对构建的玻璃模型进行分子动力学模拟，先对玻璃初始结构进行能量最小化处理，然后在对玻璃体系NVT系综下5000K进行500ps的弛豫，去除体系内应力，提高模拟的准确度。然后将玻璃模型由5000k下降到300k，下降速率为0.2k/步，达到300K后再弛豫20ps。降温过程全程使用NVT系综(正则系综)，步长为2fs。最后，平衡时的氟磷酸盐玻璃原子坐标信息是在NVE系综(微正则系综)下，每100步输出一次，总步长为20000步。

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；

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。

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：

其中，ρ为该玻璃的密度，g(r)为氟-氟的径向分布函数，r

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：

其中，CN

在一个实施例中，通过可视化软件VMD打开Lammps输出的玻璃结构文件，可以清楚看到玻璃分相结构，如图2、图3、图4、图5所示。将Lammps输出的玻璃结构文件导入python脚本中，计算F-F之间的配位数以及结构团簇率，如表3所示。

表3F-F之间的配位数以及结构团簇率。

通过可视化软件以及计算可以得到，随着网络中间体Al

以上实施例仅为本发明其中的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。