基于玻尔兹曼反演迭代方法的聚离子液体粗粒化模拟研究

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聚离子液体是由离子液体中阴或阳离子聚合形成的聚合链与其对应的反价离子组成,其体系结构与离子液体类似,所以,聚离子液体也具有许多离子液体的优良性质,甚至更优于离子液体。例如,具有更好的化学稳定性、热稳定性和更高的离子电导率,现已被广泛应用在电解液和新型材料领域内。但目前对聚离子液体体系的研究大多采用实验手段,对其微观机理的理论研究比较少。选择不同阴阳离子组合而成的聚离子液体具有不同的性质,因此,利用分子动力学模拟对不同聚离子液体体系进行模拟,以期探究其微观机理,节省实验搜索成本,并对选择设计聚离子液体具有理论指导意义。全原子(All-Atom),AA)模拟是分子动力学模拟中研究微观机理最常用的方法之一。然而聚离子液体体系存在聚合物链结构,这导致很难实现原子体系的长时间大尺度模拟,计算成本很大。所以本文参考离子液体和聚合物的模拟方法对聚离子液体开发建立了粗粒化(Coarse-Grained),CG)模型。本文首先利用玻尔兹曼反演(Boltzmann Inversion),BI)方法获得聚1-乙烯-3-乙基咪唑四氟硼酸盐(1-vinyl-3-ethylimidazolium tetrafluoroborate)[PVEIm][BF4]粗粒化模型的成键作用势能参数,利用玻尔兹曼反演迭代(Iterative Boltzmann Inversion),IBI)方法获得了粗粒化模型非成键作用势能参数,为了更高效的完成迭代过程,利用Python语言结合Linux系统完成了自动模拟迭代过程获得非成键作用势参数。然后通过聚离子液体全原子体系和粗粒化体系的键长键角分布对比验证粗粒化模型结构性质的准确性。通过密度和玻璃转变温度对比,发现在298K温度下,两个体系的密度误差在5%之内。并且利用了Table势表法描述非成键作用参数和L-J参数形式表现的非成键参数分别计算扩散系数,对比两种方法的优劣。最后通过分析获得如下结论:(1)利用BI方法获得的粗粒化成键参数可以很好地还原聚合物链的结构性质。(2)利用Table势表法描述非成键势能参数可以很好地还原体系中阴阳离子之间的结构性质。(3)利用L-J法描述非成键势能参数可以很好的还原体系中阴阳离子的动力学性质。本文的研究方法有效的实现了扩大模拟系统,提高了计算效率,并为聚离子液体体系的模拟研究提供理论支撑。在未来的聚离子液体粗粒化模型研究中可以根据不同的研究目的选择不同的非成键参数表现方式。
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