一种超细金刚石纳米线官能团化的建模方法与流程

本发明涉及低维纳米材料建模和原子尺度模拟领域，具体涉及一种超细金刚石纳米线(diamond nanothread)官能团化的建模方法。

背景技术：

1、低维纳米材料，特别是碳纳米材料因其独特的结构和优异的物理化学性能，在微电子、航空航天、土木工程、国防等领域展现出了巨大的应用潜力。纳米线作为一种重要的一维纳米材料，一方面是先进纳米器件的重要组成单元，另一方面也可以作为添加相极大增强或者调控传统材料的性能，例如力学、导热和导电性能。为了进一步提升一维纳米材料的性能或者作为添加相发挥其优异性能，官能团化是常用的改性策略。面向纳米添加相的应用，经过官能团化改性的一维纳米材料可以有效避免其因为表面效应导致的聚集，同时可以强化其与基体材料的界面强度或者降低界面热阻，从而更好的发挥纳米添加相的性能。

2、目前，研究人员在一维纳米材料中引入了多种官能团类型，例如甲基(-ch3)、乙基(-c2h5)、苯基(-c6h5)等。然而，由于实验过程中，不同一维纳米材料的官能团位置随机、官能团化也存在差异，因此难以从实验角度开展官能团对一维纳米材料性能、以及官能团化一维纳米材料对改性材料性能的定量研究。原子尺度模拟从纳观尺度的模型出发，可以有效弥补该不足，并解析微观尺度的内在机理，而原子尺度模拟的首要挑战是一维纳米材料的可控建模。目前虽有原子尺度模拟工作探讨官能团化一维纳米材料性能，但不同工作的官能团位点选取通常手动随机选择，难以标准化对比和探讨官能团的影响。因此，建立标准化的一维纳米材料官能团化的可控建模方法十分必要。

技术实现思路

1、针对现有的一维碳纳米材料官能化的可控建模方法的缺失，本发明提供一种超细金刚石纳米线官能团化的建模方法，具体技术方案如下：

2、一种超细金刚石纳米线官能团化的建模方法，包括如下步骤：

3、s1：建立官能团分子模型，根据官能团模型的坐标建立旋转矩阵、平移矩阵以及方位因子的空间坐标变换参数方程；

4、s2：建立超细金刚石纳米线的周期性单胞模型，并将所述单胞模型中的碳原子和氢原子按照顺时针编号；

5、s3：基于所述超细金刚石纳米线的周期性单胞模型的主坐标方向，预先设置金刚石纳米线的长度，建立所需长度的超细金刚石纳米线模型，并将所述超细金刚石纳米线模型的碳、氢原子坐标分别放入两个数组中；然后将超细金刚石纳米线模型的底面中心变换到坐标系原点，长度方向沿着坐标系的主坐标方向；

6、s4：基于所述超细金刚石纳米线模型转换后的碳原子坐标，设定添加官能团的位点区域和官能团数量比例，同时排除不合理的官能团添加位点，最终整合所述超细金刚石纳米线模型的所有碳原子坐标和氢原子坐标，得到整体官能团化模型的拓扑信息。

7、进一步地，所述步骤s4包括：

8、s41：根据模拟需求，选定拟官能团化区域；将所述拟官能团化区域的碳氢原子坐标存入可官能团化的区域碳原子数组和对应的氢原子数组；

9、s42：根据官能团化的比例和可官能团化的区域碳原子总数，计算拟添加的官能团总数；

10、s43：控制随机数种子，根据可官能团化的区域碳原子数组，获得一个随机数，提取该随机数对应的碳原子坐标，作为官能化的一个随机位点；

11、s44：根据获得的随机位点所在象限，基于随机位点的坐标，计算随机位点相对于坐标系原点的角度，基于s1的空间坐标变换参数方程，计算空间坐标变换对应的旋转矩阵、平移矩阵以及方位因子；

12、s45：基于所述官能团模型的拓扑文件，通过坐标转换的旋转矩阵、平移矩阵和方位因子，获得该随机位点的官能团拓扑信息，存入官能团矩阵，并对该官能团进行编号；

13、s46：根据随机位点坐标的序号和超细金刚石纳米线的碳原子的序号标记规律，找出并剔除同一碳环中的相邻碳原子以及相邻碳环的碳原子，避免官能团的集中；

14、s47：更新可官能团化的区域碳原子数组，同时将所剔除的碳原子对应的氢原子剔除，更新对应的氢原子数组，返回s43；直到确定可官能团化的所有随机位点；

15、s5：根据官能团所有随机位点的数组，整合所述超细金刚石纳米线模型的碳原子坐标和氢原子坐标，获得整体官能团化模型的拓扑信息，包括原子的坐标、类型、序号和相应的分子序号信息。

16、进一步地，所述s2具体包括如下子步骤：

17、s21：生成超细金刚石纳米线的周期性单胞模型，并将所述周期性单胞模型导出坐标文件和晶体信息文件；

18、s22：基于所述周期性单胞模型的坐标文件和晶体信息文件，获得所述周期性单胞模型的坐标信息和边界信息，并将所述周期性单胞模型中的碳原子和氢原子按照顺时针编号，同时分开存储于两个数组中。

19、本发明的有益效果如下：

20、本发明的建模方法通过标准化官能团及其坐标转换、分子建模与官能化可控随机选取位点、排除集中官能化的高能位点，实现了对金刚石纳米线表面官能团的精确定位和控制，有助于开展官能团对一维纳米材料性能、以及官能团化一维纳米材料对改性材料性能的定量研究，并解析微观尺度的内在机理。

1.一种超细金刚石纳米线官能团化的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的超细金刚石纳米线官能团化的建模方法，其特征在于，所述步骤s4包括：

3.根据权利要求1所述的超细金刚石纳米线官能团化的建模方法，其特征在于，所述s2具体包括如下子步骤：