类水滑石功能材料理论模拟的通用分子力场设计

因其丰富多变的可调变性能，类水滑石(LDHs)已成为层状材料插层结构构筑的模板，在诸多研究领域取得长足进展。但由于结构的复杂性，利用实验手段完全表征LDHs结构目前还十分困难。本研究拟从最常见的Mg-Al-LDHs出发，以量子化学计算和实验数据为依据，发展一种适用于包含不同金属离子的LDHs的通用分子力场。选用合适的势函数，根据LDHs层板中的八面体六配位结构对势函数进行参数化处理，并且进行标度，使LDHs的结构模拟摆脱金属原子类型的限制，使主体层板中的八面体六配位结构在模拟过程中保持稳定，对层板中原子之间键合方式的描述更加符合实际，并能准确地模拟层间阴离子的排布和取向。此研究将大大拓展LDHs材料分子模拟的时间和空间尺度，为认识LDHs材料的微观结构，以进一步拓展材料的功能性提供丰富的理论信息和指导。

类水滑石（LDHs）作为层状材料插层结构构筑的模板，目前已在催化、光、电、磁功能材料、纳米材料等诸多研究领域受到广泛关注。但由于结构的复杂性，利用实验手段完全表征LDHs结构目前还十分困难。本项目以量子化学计算和实验数据为依据，发展了适用于包含不同金属离子的LDHs结构模拟的通用分子力场LDHFF。我们选择了PCFF力场（the polymer consistent force field，PCFF）作为新LDHFF力场势函数的基础形式，键角弯曲能项采用了双阱势来描述八面体结构单元中的O－M－O角。采用密度泛函方法（DFT）通过对含不同层板元素的LDHs体系主体团簇模型的电子结构进行详细研究、分析，得到力场参数，包括键伸缩常数，键角弯曲项，交叉作用项，非键作用项等参数。为了检验力场参数是否可有效地用于模拟LDHs体系，使用LDHFF力场对含简单阴离子的LDHs做分子动力学模拟，将模拟的晶格参数，振动频率，相对结合能等性质与实验结果对比。结果表明模拟的晶胞参数与实验值非常吻合；主体层板的振动和层间阴离子的振动频率和模式与实验手段所测十分接近；而长时间动力学模拟中，金属离子始终保持在层板中，层板的八面体六配位结构保持稳定。因此LDHFF可以准确有效地模拟LDHs体系的结构。与前人力场相比，在结构的计算精度以及长时间的MD模拟中的稳定性有很大的提高。在此基础上，我们利用LDHFF对实际体系，如层间荧光物质与表面活性剂共插层LDH体系、量子点（QD）插层LDH纳米材料、聚醋酸纤维素（CA）插层类水滑石气密性材料体系进行了分子动力学模拟，取得了良好的效果。研究结果很好地阐释了LDH复合功能材料的结构与性能的关系。本项目的研究使LDHs的结构模拟摆脱金属原子类型的限制，使主体层板中的八面体六配位结构在模拟过程中保持稳定，对层板中原子之间键合方式的描述更加符合实际，准确地模拟层间阴离子的排布和取向。从而大大拓展了LDHs材料分子模拟的时间和空间尺度，为认识LDHs类材料的微观结构，以进一步拓展材料的功能性提供了丰富的理论信息和指导。