还原蓝4与芳纶界面的剥离自由能

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一句话价值
在平均接触面积为 70.25 nm² 的模型中，染料晶面与芳纶分离所需的自由能约为 104.9 kJ/mol。

以还原蓝4晶面和无定形芳纶表面构建双平板模型，沿界面法向逐步拉开两者。先计算这块界面从贴合到分离所需的自由能，再结合 100 个颗粒的粒径数据，估算颗粒尺寸对剥离能的影响。

63 个
伞状采样窗口
2 ns
每个窗口的采样时间
100 个
用于尺寸分析的粒径样本
关键图（向左滑动以显示全部图片）
恒速拉伸时，界面阻力在初期达到峰值，随后总体下降，仍可见局部波动。
各伞状窗口中的质心间距分布。相邻窗口的重叠区用于连接自由能曲线。
沿界面分离坐标重建的平均力势。两表面脱离初始接触后，自由能升至较高平台，并随距离起伏。
100 个颗粒的粒径直方图与对数正态拟合。样本主要集中在 20 nm 附近。
有效作用距离分别取 0.2、0.3、0.4 和 0.5 nm 时的剥离能估计。作用距离越大，模型给出的分布越向高能量一侧移动。

恒速拉伸时，界面阻力在初期达到峰值，随后总体下降，仍可见局部波动。

技术亮点
我们为什么能把这类问题做得更稳、更快、更可复核
  • 沿两块平板的质心间距设置采样窗口，通过相邻窗口的距离分布检查反应坐标的覆盖情况。
  • 用加权直方图分析法（WHAM）重建平均力势（PMF），由分离平台与贴合态的自由能差计算单位面积剥离功。
  • 对同一组粒径样本比较四种有效作用距离，考察接触面积假设对剥离能分布的影响。
拉伸动力学伞状采样自由能界面黏附
问题
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  • 把还原蓝4晶面从芳纶表面拉开，需要克服多大的自由能差？
  • 把平板界面的结果用于不同粒径的染料颗粒时，接触面积如何影响估算？
方法
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  • 用 GROMACS 对界面进行能量最小化和平衡，再沿法向恒速拉伸，抽取不同间距下的构型。
  • 沿质心间距布置 63 个伞状窗口，窗口中心相隔 0.1 nm，每个窗口采样 2 ns。
结果与交付物
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  • 取质心间距 4 nm 及以上区域的平均力势估算分离平台。界面分离自由能约为 104.9 kJ/mol，按平均接触面积换算约为 1.49 kJ·mol⁻¹·nm⁻²。
  • 以球形颗粒接触平面作为近似，在有效作用距离固定时，剥离能随粒径近似线性增大。
  • 图件包括拉伸力曲线、伞状窗口分布、分离自由能曲线，以及粒径和相应剥离能的分布。
结果判读
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  • 拉伸力峰描述恒速加载时的瞬时响应。平衡分离自由能取自伞状采样重建的平均力势。
  • 颗粒尺度的结果取决于球–平面接触近似及所选作用距离。四组分布给出了这些假设下的预测范围。
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