利用ReaxFF模拟理解生物基复合材料(PNAS 2022)

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可持续复合材料正变得越来越受欢迎,尤其是从生物物质中开发新型可降解生物复合材料,是满足全球对可持续材料日益增长的需求的一条非常有希望的道路。Roumeli等人提出了一种从培养的植物细胞中制备自粘生物复合材料的新方法,将培养细胞进行冷压缩成型,以创建分层的生物复合材料,其性能(弹性模量和强度)与商品塑料相当,同时在土壤中100%可生物降解。 为了研究纤维联锁和分子间聚合物链相互作用在细胞粘附中的作用,作者使用AMS软件反应分子动力学模块ReaxFF中的CHON2017_weak_bb力场进行模拟。细胞壁采用纤维素、半纤维素、果胶和酚混合物作为模型体系,比例由化学分析确定;之后对模型体系进行压缩,并达到平衡。这项研究表明,邻近细胞壁外层的聚合物链在压缩时相互作用,并在彼此的结构中扩散,从而产生分子联锁。进一步在拉伸载荷下进行模拟测试时,发现这些生物复合材料中的纤维联锁,又出现了链展开(无缠结)和级联氢键断裂和重组。 a)拉伸测试时的能量的变化: 1,Esystem,2,Ebond,3,EH−bond,4,and Etors;b)MD模拟在拉伸载荷下样品变形的不同时间点的快照 参考文献:E. Roumeli, R. Hendrickx, L. Bonanomi, A. Vashisth, K. Rinaldi, C. Daraio, Biological matrix composites from cultured plant cells, Proceedings of the National Academy of Sciences 119.15 (2022)