利用MedeA-Lammps和MedeA-GIBBS模擬粘土礦物質性質

粘土礦物廣泛用於工業過程，從陶瓷製造、石油勘探和生產、核廢料儲存到水資源管理和土木工程或土壤科學。鑒於粘土顆粒的小尺寸及其相當複雜的化學性質，經典分析技術（如 XRD）無法提供納米級粘土結構的完整模型。因此，分子建模有助於補充經典分析，以研究給定家族中可能的結構變化，這是由於陽離子位置、間隙水量等造成的。此外，分子模型還有助於理解性質/結構關係。

勃姆石[AlO(OH)]和矽酸鹽[Ca(OH)₂]是由八面體層(O)組成的兩種礦物。高嶺石[Al₂Si₂O₅(OH)₄]和葉蠟石[AlSi₂O₅(OH)₂]是兩種粘土礦物，分別由四面體 (T) 和八面體 (O) 層（特別是：TO 和 TOT）（圖1）。

圖1. 用 CLAYFF 模擬的粘土礦物結構（NPT 模擬 100 ps、300 K、1 bar）。左上：勃姆石，右上：高嶺石，左下：矽酸鹽和右下：葉蠟石。原子顏色代碼：O（紅色）、H（白色）、Al（紫色）、Si（黃色）和 Ca（藍色）。

氫的位置在晶體學數據中通常是不確定的。因此，氫原子最初是根據一般觀察和化學約束定位的，它們的最終位置是從 MD 模擬的結果配置中獲得的。

晶格常數、角度和密度通過 NPT 模擬獲得，並與公佈的實驗數據（表2）進行了很好的比較。

表2. 用 CLAYFF 模擬的粘土礦物晶格常數、角度和密度（NPT 模擬 100 ps、300 K、1 bar）。左上：勃姆石，左下：高嶺石，右上：矽酸鹽和右下：葉蠟石。

BET表面的計算公式為:

其中 n_a 是 N₂ 的吸附量， 是相對壓力，n_m 是每個模擬盒 N₂ 的單層容量。

繪製允許我們計算 n_m，因此計算表面積 A_BET：

其中 a_m 是 N₂ 分子的分子橫截面積，在 77 K 時等於 0.162 nm²（圖2）。每個模擬盒的葉蠟石表面 A_BET 等於 17.21 nm²，對於我們的系統，其比表面積為 13.7 m²/g 粘土（我們的系統包含 7 層，孔隙寬度 ~3.5 nm）。

圖2. BET 圖和葉蠟石在 77 K 和不同相對壓力下的氮吸附快照（左下角為 0.02，中間為 0.07，右側為 0.09）。只顯示了模擬框的一部分，部分實體和部分孔隙。原子顏色代碼：O（紅色）、H（白色）、Al（紫色）、Mg（綠色）、Si（黃色）、N（淺藍色）。

 計算使用模組: MedeA-Lammps，MedeA-Gibbs

若有任何問題，請洽 cae-md@cadmen.com