基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

在基于Boltzmann分布对四种基本构象进行Monte Carlo取样后, 通过与全原子模型的范德华势比较得到了Gay-Berne (GB)参数. 又在对用量化计算得到的分子体系的电势进行电荷、偶极矩和四极矩的拟合后, 得到了电多极展开势(EMP)参数. 利用得到的粗粒化参数, 基于粗粒化模型, 对CHCl₃及四氢呋喃(THF)两种有机溶剂进行了分子动力学模拟(MDS), 并将结果同全原子模拟进行了比较. 计算结果表明用粗粒化模型从整体上能重复全原子模型的模拟结果, 但在某些细节的计算与全原子模型有偏差, 其原因可能是目前工作仅考虑了单位点情况, 为此今后在对具有复杂结构的分子进行粗粒化模拟时还应考虑合理放置及增加相互作用位点.     

表面活性剂溶液行为的粗粒化模拟

分子动力学模拟技术目前已经成为了研究表面活性剂有序聚集体的不可或缺的工具之一。近几年来,粗粒化模拟方法克服了传统的介观模拟和精细力场模拟的缺点,既能够重现自组装体系的热力学或者结构方面的信息,又极大地拓展了模拟体系所能达到的空间和时间尺度,逐渐成为了计算领域的一个热点。本文综述了近几年来表面活性剂粗粒化分子动力学模拟的最新发展状况,分别就不同粗粒化模型的建模策略、作用势能表达、参数拟合和模型评价等问题作了详细的介绍,并通过实例说明了粗粒化力场对表面活性剂体系的适用性。在此基础上,指出了发展粗粒化力场过程中所面临的一些关键性问题,这对于表面活性剂溶液行为的粗粒化模拟具有重要的意义。     

石油化学粗粒化分子力学/分子动力学力场：Ⅰ.烷烃的粗粒化模型

提供了一种用以描述石油中烷烃分子的通用型粗粒化模型.依据石油中烷烃的结构特征,划分出从A1到A7共7种粗粒化珠子.7种烷烃的粗粒化珠子含有3～6个碳原子,与之相对应的既有直链烷烃,也有支链烷烃.这些基本结构单元以不同的组合方式可以得到石油中从C3～C40各种烷烃的粗粒化分子.为了获得精确的力场参数,采用密度泛函方法优化...     

高分子相分离的分子动力学模拟

用粗粒化分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究两组分聚合物共混体系相分离过程中的动力学. 在相分离初期, 相区尺寸不随时间增加而变化; 在相分离中期, 相区尺寸与时间有很好的标度关系, 标度指数(α=1/3)符合Lifshiz-Slyozov提出的以扩散为主导的蒸发-凝聚机理的标度预测; 在相分离后期, 体系实现宏观相分离, 相区尺寸不再随时间改变而变化. 体积分数小的高分子链尺寸在相分离过程中先收缩再扩张, 在实现宏观相分离后, 高分子链尺寸又回到本体状态尺寸.     

溶液中柔性树枝状高分子的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了柔性树枝状高分子在无热溶剂中的静态和动态行为. 模拟结果表明: 在分子尺寸和回转半径Rg满足标度律Rg~N1/5(G+1)2/5P2/5(其中N为树枝状分子的聚合度, G为代数, P为链节长度, g为子代代数)时; 随着代数的增加, 树枝状分子和硬球的静态结构因子相似, 表明其内部结构发生了由“类星形”向“近球形”转化. 随着树枝状分子代数和链节长度的增加, 出现了“单元”(Monomer)密度几乎不变的区域. 树枝状分子的回折能力随着链节长度的增加而增强, 随着代数的增加而减弱. 树枝状分子各子代的运动能力不同, 与内层子代相比, 外层子代在短时间内扩散较慢, 但其松弛较快. 相对于Rouse指数, 树枝状分子“单元”运动的标度更接近Zimm指数.     

高分子玻璃化转变过程的分子动力学模拟本科教学实验

玻璃化转变是高分子专业教学中的重要内容,转变过程中自由体积的变化和分子链段的运动是理解玻璃化转变的难点。在计算机上使用分子模拟的方法得到三维的可视化图形,可以更直观地观察到自由体积和分子链的变化。提炼近年分子模拟技术在玻璃化转变研究中的最新科研成果,得到既有理论基础又适合本科教学的课程素材。分子模拟可以实现了仪器测试无法达到的超快速升降温,并与仪器测试得到的实验结果相对照,验证了普通实验很难验证的理论观点,从而拓展了本科实验的范围,达到了很好的教学效果。     

高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟

利用高分子-纳米粒子粗粒化模型,对高分子纳米复合材料(polymer nano-composites,PNC)的拉伸、压缩及平衡态过程进行分子动力学模拟研究.通过模拟PNC的拉伸及压缩过程,研究纳米粒子大小、质量分数对PNC力学性能的影响及拉伸、压缩过程中PNC体系微观交联网络的变化.在纳米粒子表面积或质量分数相同的情况下,小尺寸纳米粒子对PNC的力学性能增强效果更显著.对于含有质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC体系,随纳米粒子质量分数增加,其力学性能增强,但增强程度逐渐减弱,且对于拉伸过程的材料增强效应,纳米粒子的质量分数存在最优值.在PNC体系中存在高分子-高分子(polymer-polymer)、高分子-纳米粒子(polymer-NP)2种微观交联网络,拉伸及压缩过程中PNC体系中2种微观交联网络的变化趋势不同,PNC拉伸及压缩产生应力的微观机制也相应有所不同.此外,对含质量分数不同的小尺寸纳米粒子的PNC平衡态过程的模拟研究表明,PNC体系中2种微观交联网络的比例直接影响其力学性能的变化,而纳米粒子的聚集则会降低PNC的力学性能增强效果.     

超支化聚合反应的多尺度模拟

超支化聚合物具有与树枝状大分子相似的物理和化学性质,其具有合成简单、分子量分布宽等突出特点,超支化聚合物分子的结构形成取决于聚合反应过程,本文介绍了超支化聚合反应模拟研究的最新进展.首先介绍了八位置键涨落粗粒化格子模型在超支化聚合反应模拟中的应用,该方法考虑了聚合物分子空间位阻效应、分子内成环和反应点活性等影响因素,从而可以模拟不同类型的超支化聚合反应;为了定量描述单体和聚合物分子结构,研究者进一步发展了杂化多尺度超支化聚合反应模拟方法,该方法通过玻尔兹曼反演迭代方法获取单体和聚合物特异性粗粒化力场,然后通过粗粒化分子动力学方法结合反应性Monte Carlo方法对特异性超支化聚合反应进行定量模拟.多尺度聚合反应模拟不仅可以精确计算超支化聚合物分子量、多分散性指数和支化度等一般性聚合物参数,还可以获取分子成环率、超支化大分子构象等重要分子结构信息,在超支化聚合反应基础研究与预测方面具有重要应用价值.     

疏水表面拓扑结构对其润湿状态影响的粗粒化模拟

采用BMW-MARTINI粗粒化分子动力学模拟方法研究了表面的拓扑结构对疏水性表面润湿状态的影响. 模拟结果表明,对于疏水性表面,增大表面的粗糙度对其疏水性影响不大,而主要是影响其润湿状态. 在一定范围内(柱间距不超过4.7 nm),水珠在微柱结构疏水表面的润湿行为受到柱间距(d)和柱高(h)的双重影响. 柱间距一定时,存在一个临界的柱高,可以使得水珠在表面的润湿状态由Wenzel态向Cassie-Baxter态发生转变,并且该临界高度随着柱间距的增大而增大. 进一步分析发现,本文研究范围内,润湿状态的转变和柱间距与柱高的比值d/h有关,当d/h不超过2时,水珠呈Wenzel态,超过2时则由Wenzel态向Cassie-Baxter态发生转变. 通过能量分析,发现润湿状态的转变主要取决于水珠与表面之间的范德华作用. 本文研究结果可以为开发具有特定功能的疏水性材料提供参考.     

高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、 动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、 回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.     

分子动力学模拟在聚合物热解中的应用

分子动力学模拟作为分子模拟的重要分支已经在化学、化工、材料、生物等领域受到了广泛的关注。介绍了分子动力学模拟的基本原理,阐述了分子动力学模拟在高分子聚合物热解反应机理研究中的应用。实例表明:在研究物质化学反应机理方面,分子动力学模拟是一种有效的研究手段。     

Coarse-grained Dynamics Simulation in Polymer Systems: from Structures to Material Properties

Polymers are widely used in our daily life and industry because of their intrinsic characteristics, such as multi-functionality, low cost, light mass, ease of processability, and excellent chemical stability. Polymers have multiscale space-time properties, which are mainly reflected in the fact that the properties of polymer systems depend not only on chemical structure and molecular properties, but also to a large extent on the aggregation state of molecules, that is, phase structure and condensed state structure. Thanks to the continuous development of simulation methods and the rapid improvement of scientific computation, computer simulation has played an increasingly important role in investigating the structure and properties of polymer systems. Among them, coarse-grained dynamics simulations provide a powerful tool for studying the self-assembly structure and dynamic behavior of polymers, such as glass transition and entanglement dynamics. This review summarizes the coarse-grained models and methods in the dynamic simulations for polymers and their composite systems based on graphics processing unit(GPU) algorithms, and discusses the characteristics, applications, and advantages of different simulation methods. Based on recent studies in our group, the main progress of coarse-grained simulation methods in studying the structure, properties and physical mechanism of polymer materials is reviewed. It is anticipated to provide a reference for further development of coarse-grained simulation methods and software suitable for polymer research.     

聚合物与表面活性剂相互作用的分子模拟研究进展

聚合物与表面活性剂复配体系已广泛应用于医药、生物、石油石化等领域。从微观上认识其相互作用机理对指导其生产实际有着重要作用,因而此方面的研究倍受关注。随着分子模拟技术的发展,聚合物与表面活性剂在分子水平上的相互作用机理研究已经被广泛开展,并获得了大量有用的信息。本文综述了耗散粒子动力学(DPD)和粗粒度分子动力学(CG-MD)在聚合物与表面活性剂相互作用方面的应用,分别对中性聚合物与离子型表面活性剂,以及带相反电荷的聚电解质和表面活性剂在溶液相和界面相的相互作用进行了阐述,并揭示了聚合物/表面活性剂聚集体结构形态的变化规律。     

诺氟沙星-DNA复合物的分子动力学模拟

采用分子模建的方法构建了诺氟沙星-DNA复合物的初始结构, 通过2 ns的分子动力学(MD)模拟研究表明: 诺氟沙星能够和双螺旋d[ATATCGATAT]₂形成稳定的复合物, 药物分子可紧密结合在DNA的小沟区域, 并且能够与DNA的鸟嘌呤碱基形成两个稳定的氢键. 在分子水平上提供了诺氟沙星直接与双螺旋DNA相互作用的结构及复合物的动态变化情况.     

受限状态聚合物熔体的分子动力学模拟

用粗粒化的分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究了受限于粗糙壁内的聚合物熔体的动力学性质. 结果表明, 对于链长较短的受限聚合物熔体体系, 随着膜厚的增加, 体系内部高分子链的松弛时间逐渐减少; 然而对于链长较长的受限体系, 聚合物链的松弛时间随着膜厚的增加先减少后增加. 推测这种由于链长的变化所引起的动力学性质的差异源自受限熔体内聚合物链聚集状态的改变, 并且通过考察交叠参数对这种改变进行了分析. 结果表明, 在膜厚增加的过程中, 决定受限状态高分子长链松弛机理的因素逐渐从受限效应转变成为链间的缠结效应.     

水化镁基蒙脱石的分子动力学模拟

利用分子动力学(MD)模拟了300 K时镁基蒙脱石(粘土)层间水和镁离子的结构和动力学性质.模拟结果显示水在粘土层间分为二层,只有一小部分水被粘土表面吸附,与粘土结构中的羟基形成氢键,不同分布位置的水处于动态平衡.层间水分子氢键配位数比普通水少24%左右,水在粘土中自扩散系数D＝5.355×10^-10 m²·s^-1,约为主体相水的1/4.镁离子在粘土层间形成一层,其与水分子配位数约为6.进一步讨论了温度对粘土层中水的结构和动力学性质的影响.随着温度升高,水层的局部密度ρ(z)降低,水在XY方向的扩散系数不断增大.当温度达到600 K后,层间水分子间的氢键断裂,与超临界状态下水的结构相似,层间水的扩散系数达最大值,温度进一步升至700 K时,其值基本无变化.     

Effect of Size and Temperature on Water Dynamics inside Carbon Nano-Tubes Studied by Molecular Dynamics Simulation

Water transport inside carbon nano-tubes (CNTs) has attracted considerable attention due to its nano-fluidic properties, its importance in nonporous systems, and the wide range of applications in membrane desalination and biological medicine. Recent studies show an enhancement of water diffusion inside nano-channels depending on the size of the nano-confinement. However, the underlying mechanism of this enhancement is not well understood yet. In this study, we performed Molecular Dynamics (MD) simulations to study water flow inside CNT systems. The length of CNTs considered in this study is 20 nm, but their diameters vary from 1 to 10 nm. The simulations are conducted at temperatures ranging from 260 K to 320 K. We observe that water molecules are arranged into coaxial water tubular sheets. The number of these tubular sheets depends on the CNT size. Further analysis reveals that the diffusion of water molecules along the CNT axis deviates from the Arrhenius temperature dependence. The non-Arrhenius relationship results from a fragile liquid-like water component persisting at low temperatures with fragility higher than that of the bulk water.     

覆盖的氩原子簇过热的分子动力学模拟(英)

通过分子动力学模拟研究了覆盖较高熔点的原子的氩原子簇．原子族由177个氩原子和72个覆盖原子组成．覆盖原子的势能参数ε比氩原子大50％，该原子簇比纯氩原子簇熔点过热2K．模拟结果表明，覆盖的原子簇过热的原因是：在达到熔点之前，体系缺少氩原子构成的自由表面，仍然是覆盖原子的有序表面．