隨著科學技術的迅速發展，仿生表麵在體育、醫療、化學、軍事發展和交通等方麵表現出了極為可觀的應用前景並吸引了許多研究者。與此同時，水下浸沒的固體仿生表麵對其實現減阻功能起著至關重要的作用，而界麵的穩定性直接影響界麵的疏水和滑移性能。許多因素如衝擊、靜水壓力、流體流動等都容易引起超疏水界麵失穩。BICO等定性地說明了側壁結構(突出的尖角)能夠釘紮液氣界麵，有利於液氣界麵保持穩定。NOSONOVSKY從係統最小自由能出發揭示了液氣界麵穩定性判據，提出了壁麵多級多尺度微結構有助於防止液氣界麵失穩。WHYMAN、BORMASHENKO從能量的角度說明了側壁次級微結構能夠增大係統從Cassie-Baxter(CB)狀態向Wenzel(W)狀態的浸潤轉變的能量勢壘，為了維持超疏水特性，需要維持Cassie-Baxter狀態氣層的穩定性，從而有效避免液氣界麵失穩。WU等基於熱力學原理提出液滴浸潤多級微結構的理論模型，得到了側壁次級微結構有助於增大液氣界麵在壁麵上的接觸角和增大係統浸潤轉變能量勢壘的結論。現有的這些工作表明界麵穩定性對界麵的疏水和滑移性能起著至關重要的作用。然而，目前的研究尚不完善，在微觀方麵缺乏研究，沒有從分子動力學方麵對界麵穩定性展開詳細分析。

本文作者運用分子動力學模擬方法，采用透明質酸溶液模擬仿生黏液，構建不同質量分數下仿生黏液體係的模型，考察仿生黏液體係與水相界麵行為隨時間的變化規律；采用勢能函數模型，通過不同質量分數仿生黏液-水界麵張力和界麵相互作用能等參數表征了不同質量分數的透明質酸仿生黏液對界麵穩定性的影響；同時考察了透明質酸和水分子之間的相互作用的強弱關係，分析了質量比為1∶10的體係中透明質酸和水分子之間的徑向分布函數(RDF)。體係中水分子遷移越快，仿生黏液擁有更好的疏水性，文中還分析了不同質量分數仿生黏液體係中水分子在透明質酸周圍的均方位移(MSD)，為設計多級微結構表麵仿生黏液-水界麵穩定性提供了思路。

模擬條件

分子力學方法首先通過計算分子各種可能構象的勢能，得到分子勢能最低的構象，即最穩定的構象，該過程被稱為能量最小化。該模型的結構和能量最小化在Forcite模塊中進行，采用的都是Smart geometry optimization對初始結構進行優化。該優化能夠較好地消除因搭建模型過程中可能造成的分子重疊、結構不合理等引起的高能構象，從而保證隨後的分子動力學模擬能夠正常運行。Smart geometry optimization采用最速下降法、共軛梯度法和牛頓法對體係進行優化。對體係進行優化後，在正則係綜(NVT)下進行了200 ps的分子動力學模擬，T=298 K，模擬步長設定為1 fs。采用Nose控溫法來控製溫度，範德華相互作用用Atom based方法計算，靜電相互作用用Ewald方法計算，截斷距離選為1.85 nm。係統達到平衡後，最後在平衡構象的基礎上進行150 ps的等溫等壓係綜(NPT)分子動力學計算，記錄數據用作後續的結構和動力學分析。

在計算界麵張力時，首先對界麵張力的初始模型進行優化後，對其進行300 ps的NPT模擬，溫度取298 K，目標壓力為1.013 25×105Pa，壓力控製方法為Berendsen法控壓。然後對最後一幀進行200 ps的NVT分子動力學模擬，範德華相互作用(vdW)選用Atom based方法計算，靜電相互作用選用Ewald方法，然後提取x、y、z坐標軸方向的分壓，用於計算界麵張力。

界麵張力

分子動力學中認為界麵張力與不同方向上的壓力張量有關，仿生黏液透明質酸體係-水的界麵張力通過KIRKWOOD和BUFF提出的力學定義來進行計算。通過對5個不同質量比的體係在平衡後200 ps的數據進行統計，得到了一個仿生黏液和水界麵的界麵張力平均結果，如圖1所示。可見在研究的質量比範圍內，透明質酸仿生黏液與水的界麵張力始終保持在(60.00±10)mN/m左右，其中透明質酸和水分子的質量比接近1∶10時，界麵張力最小(為61.33 mN/m)。仿生黏液和水界麵的界麵張力越小，體係中仿生黏液和水界麵的自由能就越低，界麵就較穩定。因此，可以認為在研究的質量比範圍內，質量比1∶10時，模擬黏液-水的界麵穩定性最優。這同時也證明，通過分子動力學模擬的方法可以初步預測仿生黏液在水體中的穩定性。

圖1不同質量比仿生黏液界麵張力

結論

通過分子動力學模擬，研究了不同濃度仿生黏液-水界麵的界麵張力、界麵相互作用能、均方位移(MSD)曲線和徑向分布函數(RDF)。結果表明，仿生黏液在透明質酸分子和水分子在質量比為1∶10時的界麵張力最小為61.33 mN/m，得到的界麵最穩定。