一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法与流程

1.本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法。


背景技术：

2.近些年来，由于其优异的各项性能，柔性电子器件受到了越来越多的关注。与金属类电子器件相比，柔性电子器件不仅可随意弯曲折叠，而且其重量也大大减轻。有机和高分子基底材料被广泛运用于柔性电子器件的生产中，因此其生产成本也显著降低。到目前为止，柔性电子器件已经在很多领域得到广泛应用，如传感器、电子显示器、太阳能电池、纳米发电机、晶体管，等等。其中，聚酰亚胺由于其优异的柔韧性、热稳定性以及化学稳定性，是应用最广泛的高分子柔性基底材料之一。
3.因此，出于提高工艺的要求，人们需要对墨水/柔性基底的界面性能有更进一步的理解。虽然柔性电路的宏观性能已经通过不同实验手段得到了较为充分的表征与认识，比如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、力学测试等，然而，对于墨水/柔性基底界面的微观信息，尤其是原子尺度、超快时间尺度(皮秒到纳秒)的动力学研究还是很难单纯通过实验手段得到。
4.分子动力学是一种研究材料微观性质的有利手段，模拟体系可以达到103–
106原子的规模。另外，模拟的时间尺度下至飞秒，上可至微秒。分子动力学已经被广泛应用于研究复合材料的界面性质。除了研究体系的平衡态的性质，体系的动态性质也可以利用分子动力学进行探究。可以对模拟体系的某部分原子施加一定的力或速度，进而从体系的动态变化中收集一系列信息。该方法已经被广泛应用于多种复合材料的性质研究中。
5.分子动力学模拟的原理如下：分子动力学首先对模拟体系赋予力场，力场是基于对体系中各种原子的分类，分类后赋予不同原子类型相应的力场参数，这些力场参数是力场开发者通过对实验数据或者第一性原理计算数据进行拟合后得到的。不同力场对于原子间作用的描述不同，一般而言包括键长、键角、二面角等键联相互作用项，同时还包含非键相互作用，包括范德华力以及静电力等。在此基础上，积分器对体系中各个原子进行牛顿力学积分，从而得到各个原子的运动轨迹。分子动力学相比较于第一性原理来说，有如下优点：首先，分子动力学模拟的体系较大，第一性原理的体系规模往往在几百个原子左右，而分子动力学模拟体系原子数通常在10
3-106之间；第二，分子动力学通过设定时间步长，基于力场对原子的设定和约束，对体系中各个原子进行牛顿力学的时间积分，因此可以得到原子尺度的运动轨迹，由于极短的时间步长(飞秒)，因此可以得到超快时间尺度的体系相关信息。同时，通过分子动力学可以对体系进行实验条件模拟，如利用恒温器和恒压器，可以实现体系的极端温度和极端压力的模拟条件；可以通过对体系施加力或速度，实现对反应体系的操控，如拉伸、挤压、冲击等过程的模拟。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于包括以下步骤：
9.(1)使用maps软件和amorphous builder模块对高分子基体进行建模，得到高分子基体模型；
10.(2)使用maps软件和gopy程序对墨水进行建模，得到墨水模型；
11.(3)使用lammps对高分子基体模型进行退火模拟；
12.(4)对经步骤(3)退火模拟后的高分子基体模型和墨水模型进行结合，形成界面体系；
13.(5)对步骤(4)得到的界面体系进行模拟操作，记录过程和性质变化的数据；
14.(6)对步骤(5)得到的数据进行汇总和分析，提取有用信息。
15.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(2)中墨水模型的长宽为
16.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(2)中墨水包括氧化石墨烯墨水，对氧化石墨烯墨水进行建模的具体操作为：使用gopy程序，在石墨烯上下表面随机接枝氧化基团羟基和环氧基，比例为ca(o)b(oh)c,式子中c代表石墨烯中未氧化碳，o代表环氧基，oh代表羟基，c:o:oh的原子数比为a:b:c。依据氧化石墨烯的氧化程度可以有不同比例。
17.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(3)中对高分子基体模型进行退火模拟的具体操作为：在0.1-100个大气压(依据不同情况而定，常用1个大气压，也可以进行高低压模拟)、温度300-1200k(依据不同材料而定)的状态下，进行1-20纳秒(以体系密度达到平衡为准)npt模拟，使得高分子基体达到理想密度值，然后从上述温度，经5-50纳秒缓慢退火至200k-800k，最后在200k-800k下继续平衡100-800皮秒。
18.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(4)的具体操作为：固定墨水部分，对高分子基体升温至400k-2000k，同时施加加的向下的作用力，使两者表面充分结合，在温度与力不变的情况下，继续跑100-600皮秒，将温度降温至300-800k，同时逐渐撤销作用力，降温同时施力降为0，最终高分子基体在此温度下平衡100-300皮秒，此时得到墨水/基体界面充分结合的界面体系。
19.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(5)模拟操作中均使用开源程序lammps，原子运动轨迹使用velocityverlet算法进行积分，时间步长设定为0.5-2飞秒(依据具体情况而定，时间步长越小积分越精细，但是计算成本越高)，使用scipcff力场描述体系。
20.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(5)模拟操作中使用nose-hoover恒温器和恒压器来控制温度与压力。
21.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(5)模拟操作中在x,y,z三个不同方向施加周期性边界条件，当z方向不需要周期性边界条件时，取消z方向的周期性边界条件，并且在z方向施加一定厚度的真空层。
22.所述的一种基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法，其特征在于所述步骤(6)中使用软件maps、vmd、origin或自编程序对数据进行汇总和分析。
23.任一所述的基于分子动力学模拟的墨水/基底界面的微观性质分析方法在工艺及材料的性能研究上的应用。
24.使用本发明方法，对不同体系在喷墨打印过程中的所受到的温度、喷墨速度，以及体系在不同负载下界面的微观尺度性能进行了系统探究。本发明旨在为相应工艺及材料的性能研究提供一种模拟研究方法，可以补充常规实验手段难以达到的微观探究目的。
25.本发明具有以下有益效果：
26.1、本技术方法的模拟尺度为原子级，可以提供微观尺度下的材料性质与性能的表征与分析，这是一般实验手段难以达到的；
27.2、与第一性原理模拟方法相比较(102原子)，本技术方法的模拟空间尺度显著增加(103–
106原子)，通过施加周期性边界条件，可以一定程度克服体系的尺寸效应对于反应体系真实情况带来的误差；
28.3、本技术方法的模拟时间尺度在飞秒到纳秒之间，属于超快时间尺度，这也是一般实验手段难以达到的；
29.4、本技术方法可以通过恒温器和恒压器控制体系的温度及压力，可以模拟不同温度及压力下体系的情况；
30.5、本技术方法可以实现对体系的各种形式的操控，如给体系某部分一定的力或速度，从而实现各种形式的现实模拟条件，如拉伸、挤压、冲击等。
附图说明
31.图1为模拟体系建模示意图；
32.图2为模拟喷墨速度对墨水/基体界面影响示意图；
33.图3为模拟墨水/基体的剥离过程示意图，图中数字单位：皮秒；
34.图4为数据后处理示意图；
35.图5为本发明技术方法流程图。.
具体实施方式
36.以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
37.本发明针对石墨烯型墨水/聚酰亚胺柔性基底的喷墨打印过程提供了系统的分子动力学模拟方法。同时探究了聚酰亚胺基体，以及喷墨打印中最常使用的表面经过等离子改性的聚酰亚胺基体，以及两种石墨烯型墨水，石墨烯以及最常用的氧化石墨烯墨水。因此，一共研究了四种墨水/基体体系，分别是石墨烯/聚酰亚胺体系、石墨烯/等离子改性聚酰亚胺体系、氧化石墨烯/聚酰亚胺体系以及氧化石墨烯/等离子体改性聚酰亚胺体系。
38.实施例1：
39.图1是建模的示意图。首先，等离子体对于聚酰亚胺的改性机理如图1(1)所示，酰
亚胺基团的c-n键断裂后生成酰胺基和羧基。图1(2)为氧化石墨烯墨水的正面放大以及侧面示意图，图1(3)为墨水/基体界面体系的建模过程示意图，使用软件materials and processes simulations(maps)对两种高分子链进行建模，一种是未受等离子体改性的聚酰亚胺链以及受等离子体改性后的聚酰亚胺链，聚合度统一为10。然后使用maps的专门用来建立无定型高分子模型的工具，amorphous builder对两种聚酰亚胺基体进行建模。建立高分子基体模型后，在1个大气压，1000k的状态下进行2纳秒npt模拟，使得高分子达到理想密度值，然后再对其进行分子动力学退火模拟以达到更稳定状态。从1000k经7纳秒缓慢退火回300k，最后在300k下继续平衡500皮秒。
40.同时从maps的structure library中调用其已有的石墨烯模型，长宽为与前述建立的高分子基体模型长宽相当。使用gopy程序建立氧化石墨烯模型。以石墨烯为起始模型，使用gopy程序对石墨烯上下表面进行随机官能化，使得其氧化率最终达到20％，其化学方程式为c
10
(oh)1(o)1。其中，c代表未氧化的c原子，oh为氢氧根基团，o代表环氧基团，它们的比例是10:1:1。其正面放大以及侧面示意图如图1(2)所示。
41.最后将高分子基体与墨水结合起来。固定墨水部分，对高分子基体施加向下的压力以及一定温度，使两者表面充分结合。首先，在对高分子基体升温至1000k的过程中，施加力以及一定温度，使两者表面充分结合。首先，在对高分子基体升温至1000k的过程中，施加的向下的力。然后，在温度与力不变的情况下，继续跑200皮秒。然后，温度由1000k降温至300k，同时逐渐撤销作用力，到300k时施力同时降为0。最终高分子基体在300k下平衡200皮秒。此时得到墨水/基体界面充分结合的模型。整个过程示意图如图1(3)所示。以等离子改性后的聚酰亚胺与氧化石墨烯体系作为示例。对于接下来的模拟部分，都以此结构为基础。
42.本发明所有分子动力学模拟均使用开源程序large-scale atomic/molecular massively parallel simulatorprogram(lammps)。原子运动轨迹使用velocity verlet算法进行积分。时间步长设定为1飞秒。使用scienomics公司开发的scienomics’polymer consistent force field(scipcff)力场描述体系。使用nose-hoover恒温器和恒压器来控制体系的温度与压力。在x,y,z三个不同方向施加周期性边界条件。当z方向不需要周期性边界条件时，取消z方向的周期性边界条件，并且在z方向施加一定厚度的真空层。
43.对于不同温度影响的探究，即使用nose-hoover恒温器对墨水/基体界面体系施加不同温度，同时观测不同温度下体系的性质，如密度，径向分布函数(rdf)，界面相互作用能等。对于不同压力影响的探究，固定墨水层，向基体施加不同的力，同时测定在不同压力下体系的性质。
44.对于喷墨速度影响的探究，如图2所示，固定基体下部，给墨水以方向朝向基体的不同的初速度，然后观测记录墨水/基体界面在整个喷墨过程中的现象与性质。
45.对于墨水/基体界面剥离的探究，如图3所示，固定基体上部，给墨水以远离基体的恒定速度向下拉，同时观测墨水/基体界面在整个剥离过程中的现象与性质。
46.最后，如图4所示，对不同模拟过程中得到的数据进行后处理，使用软件maps、vmd、origin以及自编程序进行数据分析。如图5所示为本发明技术方法流程图。
47.在该技术方案中，对于界面的黏附性能可以通过界面相互作用能来评估，其数学表达式如下：
48.e
in
＝e
tot
–
(e
ink
e
sub
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
49.在上式中，e
in
代表界面作用能，e
tot
代表界面体系总势能，e
ink
代表墨水部分的势能，e
sub
代表基底部分的势能。当墨水与基底形成界面结构后，势能降低越多，说明界面黏附性能越好。
50.对于温度的影响，可以用原子间的径向分布函数进行表征。径向分布函数是相对于指定的某种粒子，其他粒子在空间的分布几率。温度的升高，往往带来体系的膨胀，因此其对结构的影响可在径向分布函数上得到体现。