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【摘 要】本文采用不同水模型研究甲醇水溶液的配位数，通过研究发现，TIP4P-甲醇和TIP5P-甲醇随甲醇浓度变化具有相似的变化趋势，且采用TIP3P-甲醇体系的配位数随甲醇质量分数的增加急剧下降。
【关键词】水模型；甲醇；配位数
The Integrated Coordination Numbers of Water-Methanol Mixtures With different Water Models
【Abstract】The interaction and properties of water-methanol mixtures with various water models （includingTIP3P，TIP4P，and TIP5P）are performed by means of molecular dynamics simulations.Compared with integrated coordination of TIP4P-Methanol and TIP5P-Methanol，the integrated coordination of TIP3P-Methanol with the increase of methanol quality score sharply.
【Key words】Water model；Methanol；Integrated coordination numbers
0.引言
在亲水团和疏水团的水合作用研究中多采用甲醇水混合溶液，其原因在于甲醇水混合溶液存在一种复杂体系具有的动力学特性。一个恰当的水模型应该是能足够完整的描述水在特定的热力学条件下的性质，更应该能描述出水团簇及复杂相的情况。为了更好的实现计算机模拟[1]，对水模型的开发已经做了大量的研究工作。本文采用不同水模型研究甲醇水混合溶液的配位数。
1.势能模型及方法
在醇水溶液相互作用的研究中已经采用了大量的势能模型[2-9]。先前对甲醇水混合溶液的研究显示大多采用OPLS势能模型（液体模拟的优化模型[2]）研究甲醇、水性质所得结果较为理想。因此才本文的模拟工作中采用了OPLS势能模型。模拟中涉及的水模型包括TIP3P（三个粒子作用），TIP4P（四个粒子作用）及 TIP5P（五个粒子作用）。
模拟盒子大小由实验密度确定，位能截断采用球形截去法，截断半径为半个盒子的边长。 截断距离之外的粒子间相互作用能采用长程校正法进行校正，长程静电相互作用力采用Ewald加和法计算。采用SHAKE算法固定甲醇分子的几何构形，用5阶Gear预测-校正法求解体系的运动方程。模拟系综为正则系综（NVT），温度的控制采用Nose-Hoover 热浴法。为了避免由于静电存在引起的能量间断，所有的模拟计算中使用了10?相互作用用于平滑能量的衰减。模拟过程中所取时间步长为2fs，每次模拟总时间为200ps，其中前100ps使体系达到平衡，后100ps用于统计计算各种性质。
2.结果与讨论
在以下的表述中我们使用C表示甲基群CH3.配位数（coordination number）是指某个粒子的最近邻粒子个数。显示了该粒子周围的粒子分布密度大小，在一定程度上讲，配位数的多少，也能反映该粒子周围区域密度的大小。
图1给出甲醇质量分数为50%时，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数曲线图，图2给出了，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数随甲醇浓度变化的曲线，分析图2，发现TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数随甲醇浓度的变化具有相似的变化趋向， TIP3P-甲醇第一溶剂圈内的配位数受甲醇浓度影响较大，而TIP4P-甲醇和TIP5P-甲醇的情况影响较小。
3.结论
基于以上的计算分析，我们得到以下结论：通过对采用不同水模型的醇水混合溶液的配位数研究，发现采用三个水模型（TIP3P）构成的甲醇水混合溶液第一溶剂圈内的配位数都随着甲醇浓度的增加而急剧下降，TIP4P-甲醇与TIP5P-甲醇体系的配位数随甲醇质量分数增加具有相似变化趋势，且与TIP3P相比缓慢下降。
图1 甲醇质量分数为50%时，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数
Fig.1 Intergrated coordination numberNwmof TIP3P-Methanol， TIP3P-Methanol， and TIP3P-Methanol mixtures.
图2 TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇第一溶剂圈内的配位数随甲醇质量分数的变化
Fig.2 Intergrated coordination numberNwmof TIP3P-Methanol， TIP4P-Methanol， and TIP5P-Methanol mixtures for the first solvation shell neighbor with different methanol mass percentage.
【参考文献】
[1]Guillot，B.J.Mol.Liq，2002，101，219.
[2]Wensink，E.J.W.；Hoffmann，A.C.J.Chem.Phys，2003，119，14，7308.
[3]YANG Z.G.；LEE W.；SANDEEP P.J.Comput Chem，2008，29，1142.
[4]Joseph，A.；Morrone，K.E.；Haslinger，M.E.；TuckermanJ.Phys.Chem.B，2006，110，3712.
[5]L.Dougan，S.P.B.；Hargreaves，R.；Fox，J.P.J.Chem.Phys，2004，121，6456.
[6]Weerasinghe，S.；Paul，E.S.J.Phys.Chem.B，2005，109，15080.
[7]Susan，K.；Allison，J.P.；Fox，R.H.；Simon P.B.Physical Review B，2005，71，024201.
[8]Munir，S.；Skaf，B.M.；Ladanyi J.Phys.Chem，1996，100，18258.
[9]Matsumoto，M.；Takaoka，Y.；Kataoka，Y.J.Chem.Phys，1993，98，1464.
【关键词】水模型；甲醇；配位数
The Integrated Coordination Numbers of Water-Methanol Mixtures With different Water Models
【Abstract】The interaction and properties of water-methanol mixtures with various water models （includingTIP3P，TIP4P，and TIP5P）are performed by means of molecular dynamics simulations.Compared with integrated coordination of TIP4P-Methanol and TIP5P-Methanol，the integrated coordination of TIP3P-Methanol with the increase of methanol quality score sharply.
【Key words】Water model；Methanol；Integrated coordination numbers
0.引言
在亲水团和疏水团的水合作用研究中多采用甲醇水混合溶液，其原因在于甲醇水混合溶液存在一种复杂体系具有的动力学特性。一个恰当的水模型应该是能足够完整的描述水在特定的热力学条件下的性质，更应该能描述出水团簇及复杂相的情况。为了更好的实现计算机模拟[1]，对水模型的开发已经做了大量的研究工作。本文采用不同水模型研究甲醇水混合溶液的配位数。
1.势能模型及方法
在醇水溶液相互作用的研究中已经采用了大量的势能模型[2-9]。先前对甲醇水混合溶液的研究显示大多采用OPLS势能模型（液体模拟的优化模型[2]）研究甲醇、水性质所得结果较为理想。因此才本文的模拟工作中采用了OPLS势能模型。模拟中涉及的水模型包括TIP3P（三个粒子作用），TIP4P（四个粒子作用）及 TIP5P（五个粒子作用）。
模拟盒子大小由实验密度确定，位能截断采用球形截去法，截断半径为半个盒子的边长。 截断距离之外的粒子间相互作用能采用长程校正法进行校正，长程静电相互作用力采用Ewald加和法计算。采用SHAKE算法固定甲醇分子的几何构形，用5阶Gear预测-校正法求解体系的运动方程。模拟系综为正则系综（NVT），温度的控制采用Nose-Hoover 热浴法。为了避免由于静电存在引起的能量间断，所有的模拟计算中使用了10?相互作用用于平滑能量的衰减。模拟过程中所取时间步长为2fs，每次模拟总时间为200ps，其中前100ps使体系达到平衡，后100ps用于统计计算各种性质。
2.结果与讨论
在以下的表述中我们使用C表示甲基群CH3.配位数（coordination number）是指某个粒子的最近邻粒子个数。显示了该粒子周围的粒子分布密度大小，在一定程度上讲，配位数的多少，也能反映该粒子周围区域密度的大小。
图1给出甲醇质量分数为50%时，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数曲线图，图2给出了，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数随甲醇浓度变化的曲线，分析图2，发现TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数随甲醇浓度的变化具有相似的变化趋向， TIP3P-甲醇第一溶剂圈内的配位数受甲醇浓度影响较大，而TIP4P-甲醇和TIP5P-甲醇的情况影响较小。
3.结论
基于以上的计算分析，我们得到以下结论：通过对采用不同水模型的醇水混合溶液的配位数研究，发现采用三个水模型（TIP3P）构成的甲醇水混合溶液第一溶剂圈内的配位数都随着甲醇浓度的增加而急剧下降，TIP4P-甲醇与TIP5P-甲醇体系的配位数随甲醇质量分数增加具有相似变化趋势，且与TIP3P相比缓慢下降。
图1 甲醇质量分数为50%时，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位数
Fig.1 Intergrated coordination numberNwmof TIP3P-Methanol， TIP3P-Methanol， and TIP3P-Methanol mixtures.
图2 TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇第一溶剂圈内的配位数随甲醇质量分数的变化
Fig.2 Intergrated coordination numberNwmof TIP3P-Methanol， TIP4P-Methanol， and TIP5P-Methanol mixtures for the first solvation shell neighbor with different methanol mass percentage.
【参考文献】
[1]Guillot，B.J.Mol.Liq，2002，101，219.
[2]Wensink，E.J.W.；Hoffmann，A.C.J.Chem.Phys，2003，119，14，7308.
[3]YANG Z.G.；LEE W.；SANDEEP P.J.Comput Chem，2008，29，1142.
[4]Joseph，A.；Morrone，K.E.；Haslinger，M.E.；TuckermanJ.Phys.Chem.B，2006，110，3712.
[5]L.Dougan，S.P.B.；Hargreaves，R.；Fox，J.P.J.Chem.Phys，2004，121，6456.
[6]Weerasinghe，S.；Paul，E.S.J.Phys.Chem.B，2005，109，15080.
[7]Susan，K.；Allison，J.P.；Fox，R.H.；Simon P.B.Physical Review B，2005，71，024201.
[8]Munir，S.；Skaf，B.M.；Ladanyi J.Phys.Chem，1996，100，18258.
[9]Matsumoto，M.；Takaoka，Y.；Kataoka，Y.J.Chem.Phys，1993，98，1464.