氧气在PDMS中扩散的分子动力学模拟

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氧气在PDMS中扩散的分子动力学模拟

作者：央宗

来源：《硅谷》2011年第12期

摘要：分子动力学方法模拟了300K时氧气分子在聚合物PDMS中扩散的情况，讨论模拟时间和聚合度对模拟结果的影响，发现模拟时间太少对模拟结果不利，应以大于1000ps为宜，聚合度一定范围内也可以影响氧气在PDMS内的扩散，还讨论自由体积对扩散的影响，

与自由体积理论取得统一。

关键词：分子动力学模拟；扩散；聚二甲基硅氧烷

中图分类号：O641.1文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620026－01

聚合物材料作为膜等在很多重要的工业过程中都有应用，如气体分离、燃料电池等，因此对于小分子在聚合物中的扩散、吸附、渗透等的研究就具有重要的意义。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，简称PDMS）是一种重要的有机硅材料，该聚合物中硅代替了一种有机物中的碳，Si-O键较长，Si-O-Si键角较大，Si-O键是具有50%离子键特征的共价键，决定了PDMS兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低，气体渗透性强，压缩性高等

性质。

1 模拟细节

选择聚二甲基硅氧烷作为研究对象，采用Material Studio软件包中Visualizer和A morphous Cell模块建模。由于全原子模型相比于粗粒化模型更接近实验值，因此选用全原子模型，通过计算体系中每一个原子之间的相互作用来获得其动力学性质。利用Build Polymer命令来构建不同聚合度（20～80之间）的PDMS，然后调用Discover模块中Minimizer功能对PDMS进行优化，使聚合物分子间势能和非键相互作用能由原来的-334904kj/mol、-1.675*10-

4kj/mol。然后调用Amorphous模块的Construstion功能来构造一个立方形周期性晶胞，里面含有PDMS和氧气分子，初始密度设为0.97g/cc，温度选定为298.15K，在不影响计算精度的前提下，为了减少模拟时间，原子数控制在1000以内，立方体晶胞的边长选为25.09A，然后对该立方形晶胞优化，获得更加接近实验报告的分子结构，使其分子间势能和非键相互作用能分别由-8.039*10-4kj/mol、-9.630*10-4kj/mol降为1.248*10-5kj/mol、1.340*10-5kj/mol，得到了能量最低化的晶胞。

对整个体系进行分子动力学计算，采用compass力场，compass力场是一个通过量子力学从头计算和经验参数开发得到的基于原子水平模拟的一种力场，广泛应用于有机物、无机小分子和聚合物。采用NVT系统对氧气在聚合物PDMS中的运动进行动力学计算，模拟时间为200.0～1000.0ps，时间步长为1.0fs，保留所有历史文件，每隔50ps记录一个轨迹。