随着科学技术的迅速发展，仿生表面在体育、医疗、化学、军事发展和交通等方面表现出了极为可观的应用前景并吸引了许多研究者。与此同时，水下浸没的固体仿生表面对其实现减阻功能起着至关重要的作用，而界面的稳定性直接影响界面的疏水和滑移性能。许多因素如冲击、静水压力、流体流动等都容易引起超疏水界面失稳。BICO等定性地说明了侧壁结构(突出的尖角)能够钉扎液气界面，有利于液气界面保持稳定。NOSONOVSKY从系统最小自由能出发揭示了液气界面稳定性判据，提出了壁面多级多尺度微结构有助于防止液气界面失稳。WHYMAN、BORMASHENKO从能量的角度说明了侧壁次级微结构能够增大系统从Cassie-Baxter(CB)状态向Wenzel(W)状态的浸润转变的能量势垒，为了维持超疏水特性，需要维持Cassie-Baxter状态气层的稳定性，从而有效避免液气界面失稳。WU等基于热力学原理提出液滴浸润多级微结构的理论模型，得到了侧壁次级微结构有助于增大液气界面在壁面上的接触角和增大系统浸润转变能量势垒的结论。现有的这些工作表明界面稳定性对界面的疏水和滑移性能起着至关重要的作用。然而，目前的研究尚不完善，在微观方面缺乏研究，没有从分子动力学方面对界面稳定性展开详细分析。

本文作者运用分子动力学模拟方法，采用透明质酸溶液模拟仿生黏液，构建不同质量分数下仿生黏液体系的模型，考察仿生黏液体系与水相界面行为随时间的变化规律；采用势能函数模型，通过不同质量分数仿生黏液-水界面张力和界面相互作用能等参数表征了不同质量分数的透明质酸仿生黏液对界面稳定性的影响；同时考察了透明质酸和水分子之间的相互作用的强弱关系，分析了质量比为1∶10的体系中透明质酸和水分子之间的径向分布函数(RDF)。体系中水分子迁移越快，仿生黏液拥有更好的疏水性，文中还分析了不同质量分数仿生黏液体系中水分子在透明质酸周围的均方位移(MSD)，为设计多级微结构表面仿生黏液-水界面稳定性提供了思路。

模拟条件

分子力学方法首先通过计算分子各种可能构象的势能，得到分子势能最低的构象，即最稳定的构象，该过程被称为能量最小化。该模型的结构和能量最小化在Forcite模块中进行，采用的都是Smart geometry optimization对初始结构进行优化。该优化能够较好地消除因搭建模型过程中可能造成的分子重叠、结构不合理等引起的高能构象，从而保证随后的分子动力学模拟能够正常运行。Smart geometry optimization采用最速下降法、共轭梯度法和牛顿法对体系进行优化。对体系进行优化后，在正则系综(NVT)下进行了200 ps的分子动力学模拟，T=298 K，模拟步长设定为1 fs。采用Nose控温法来控制温度，范德华相互作用用Atom based方法计算，静电相互作用用Ewald方法计算，截断距离选为1.85 nm。系统达到平衡后，最后在平衡构象的基础上进行150 ps的等温等压系综(NPT)分子动力学计算，记录数据用作后续的结构和动力学分析。

在计算界面张力时，首先对界面张力的初始模型进行优化后，对其进行300 ps的NPT模拟，温度取298 K，目标压力为1.013 25×105Pa，压力控制方法为Berendsen法控压。然后对最后一帧进行200 ps的NVT分子动力学模拟，范德华相互作用(vdW)选用Atom based方法计算，静电相互作用选用Ewald方法，然后提取x、y、z坐标轴方向的分压，用于计算界面张力。

界面张力

分子动力学中认为界面张力与不同方向上的压力张量有关，仿生黏液透明质酸体系-水的界面张力通过KIRKWOOD和BUFF提出的力学定义来进行计算。通过对5个不同质量比的体系在平衡后200 ps的数据进行统计，得到了一个仿生黏液和水界面的界面张力平均结果，如图1所示。可见在研究的质量比范围内，透明质酸仿生黏液与水的界面张力始终保持在(60.00±10)mN/m左右，其中透明质酸和水分子的质量比接近1∶10时，界面张力最小(为61.33 mN/m)。仿生黏液和水界面的界面张力越小，体系中仿生黏液和水界面的自由能就越低，界面就较稳定。因此，可以认为在研究的质量比范围内，质量比1∶10时，模拟黏液-水的界面稳定性最优。这同时也证明，通过分子动力学模拟的方法可以初步预测仿生黏液在水体中的稳定性。

图1不同质量比仿生黏液界面张力

结论

通过分子动力学模拟，研究了不同浓度仿生黏液-水界面的界面张力、界面相互作用能、均方位移(MSD)曲线和径向分布函数(RDF)。结果表明，仿生黏液在透明质酸分子和水分子在质量比为1∶10时的界面张力最小为61.33 mN/m，得到的界面最稳定。