计算化学和计算材料学项目式实验设计:锂离子电池有机电解液分子动力学模拟

分子动力学模拟已在化学、材料等科研领域得到广泛应用,但在本科化学、材料学实验中鲜有涉及。为培养学生化学、材料计算设计思维,同时帮助学生充分掌握分子动力学模拟方法,基于锂离子电池有机电解液研究案例设计了一个分子动力学模拟综合实验。本实验设计包括分子和溶液结构建模、结构优化、模拟退火、热浴平衡、后处理性质计算等操作步骤,帮助学生初步掌握分子动力学模拟的基本原理、流程和分析方法,实现理论方法水平和软件操作技能的双重提升。     

蒙特卡洛模拟在分子模拟教学中的应用*

以有机化合物的模板诱导沉积实验为例,介绍了蒙特卡洛模拟在分子模拟教学中的应用。本实验在有机化合物诱导沉积实验的基础上,将诱导沉积实验、蒙特卡洛模拟方法系统综合在一个实验教学中,让学生在学习蒙特卡洛模拟方法的同时,更直观、形象地理解分子间相互作用对有机分子聚集形貌的影响,加深学生对有机分子自组装概念的理解。通过实际上机操作,学生还能初步了解Dev-C++,RasMol等相关软件的使用,并加深学生对结构化学及计算化学课程相关知识的理解。     

计算化学探索性实验设计：气体在固体表面的吸附现象及其对催化作用的影响

结合计算化学方法,介绍了一个面向高年级本科生的物理化学实验。本实验运用Materials Studio软件,通过量子化学方法研究H₂在Ni表面的物理和化学吸附现象,以及覆盖度和催化剂对于H₂解离的影响。通过本实验,可以使学生初步掌握借助计算化学手段获得反应活化能、搜索过渡态的思路和方法,有助于学生从原子层面上理解气体在固体表面的吸附现象。     

本研贯通课程“高等物理化学”的实例教学

在"高等物理化学"课程教学中引入实例教学可以有效帮助学生在理论语言与实验语言之间搭建桥梁,借助计算机"可视化"手段向学生展示实体实验难以描述的抽象概念。本课程从量子力学和分子力学出发,设计了由浅入深的7个实例,用计算机模拟方法分别计算了单分子的分子光谱、化学反应路径和溶液的微观异质性,帮助学生从微观层面形象化地理解抽象的物理概念,有效克服了学生的畏难心理,显著提高了学生解决实际问题的能力,改善了理论脱离实践的现状。     

基于GROMACS软件的本科生酶工程创新实验项目设计*——微生物谷氨酰胺转胺酶在水溶液中的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟软件GROMACS设计了微生物谷氨酰胺转胺酶在不同温度水环境下的分子动力学模拟实验,通过计算模拟过程中酶蛋白主链动力学,分子内氢键数目,回转半径以及溶剂可接触表面积的变化,分析温度对酶的结构与功能造成的影响。该模拟实验可帮助学生:(1)掌握蛋白质分子在水溶液中动力学模拟的方法;(2)理解温度对酶结构稳定性和活性造成的影响;(3)了解分子运动特性的生物学的意义;(4)学习酶工程研究的新手段。     

虚拟现实技术在高等化学教育中的应用和探索

对于化学结构的理解是高等化学教育中的重要组成部分。在传统的教育方式下,受限于可视化手段,学习和理解复杂的化学结构非常困难,因此学生在学习化学时会感觉晦涩难懂。在本项工作中,我们通过把虚拟现实(VR)技术和分子动力学方法结合到一起,开发了交互式分子结构可视化工具Manta。Manta工具可以生动形象地展示微观纳米结构,同时允许学生与分子结构进行直接交互,修改和创建新的化学结构。借助高精度实时计算技术与沉浸式VR技术,Manta带领学生走进真实的分子世界,充分调动学习者的自主能动性,可以作为传统教学的重要补充以促进高等化学教育的发展。     

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。     

环糊精的理论计算*

环糊精对超分子化学的发展具有重要意义,其特殊的物理和化学性质已经在实验和理论研究中受到广泛关注。本文对近10年来环糊精的理论计算发展情况进行了综述。重点概述了分子动力学模拟结合自由能计算方法在环糊精识别和自组装行为中的应用,最后展望了环糊精未来的理论计算发展方向。     

复杂化学体系的分子模拟研究——2013年诺贝尔化学奖浅析

随着化学科学研究水平的日益提高,人们对物质世界的分子水平的理解也在逐步加深。化学研究中对原理性理解的要求越来越高,也要求越来越准确的定量研究。化学传统上以实验为主,而现代化学对理论具有了强烈依赖性。理论化学的发展取得了巨大进步,成为化学学科的一个重要组成部分。理论与计算化学不但帮助解释实验结果,更提供对实验观察的预言和对材料药物等的合理设计。通过与统计力学和量子力学的紧密结合,在现代计算机技术的支持下分子模拟在化学、材料、生物等学科中得到广泛应用,处理多尺度实际体系的能力越来越强,具有非常广阔的发展前景。但分子模拟作为一个研究手段还需要大力发展,以提高其普适性,使之具有更坚实的理论基础,同时更加系统化和实用化。     

甘油水溶液氢键特性的分子动力学模拟

为了研究低温保护剂溶液的结构和物理化学特性, 以甘油为保护剂, 采用分子动力学方法, 对不同浓度的甘油和水的二元体系进行了模拟. 得到了不同浓度的甘油水溶液在2 ns内的分子动力学运动轨迹, 通过对后1 ns内运动轨迹的分析, 得到了各个原子对的径向分布函数和甘油分子的构型分布. 根据氢键的图形定义, 分析了氢键的结构和动力学特性. 计算了不同浓度下体系中平均每个原子(O和H)和分子(甘油和水)参与氢键个数的百分比分布及其平均值. 同时还计算了所有氢键、水分子之间的氢键以及甘油与水分子之间的氢键的生存周期.     

室温离子液体的分子动力学模拟

室温离子液体作为一种新型的反应介质正在受到人们的关注,近十年来成为了化学领域的研究热点。随着人们对离子液体结构与性质研究的不断深入和计算方法的快速发展,分子模拟已是研究离子液体的结构和性质的有力工具。本文介绍了分子动力学(molecular dynamics,MD)的基本原理,分子力场的种类,以及离子液体分子动力学模拟一般采用的AMBER、OPLS和CHARMM三种力场的构建形式。综述了近年来纯组分离子液体、混合组分离子液体分子动力学模拟方法研究取得的成果和最新进展,并分析了主要存在的问题。展望了离子液体分子动力学模拟的研究方向和前景,同时还提出了包含极化作用和静电远程作用的离子液体分子动力学模拟研究的基本思路。     

SigmaPlot软件在物理化学实验中的应用

SigmaPlot软件功能强大,使用方便、快捷,普遍用于数据分析和科研绘图。将其应用到物理化学实验数据处理、计算以及对所作的图形进行线性拟合、非线性曲线拟合,不仅简化了数据处理的过程,而且还提高了分析结果的准确度,同时也可以培养学生运用现代技术手段学习物理化学实验科学规律的能力。该文以物理化学实验教学中相关实验数据处理为例,探讨了SigmaPlot在物理化学实验教学中运用的基本原理和方法。     

乙醇分子内及分子间脱水反应机理的计算化学实验研究

介绍了一个面向大三下或大四上本科生的计算化学探索性实验。通过研究乙醇分子内及分子间脱水反应机理,从分子水平理解醇脱水反应过程中酸催化剂的作用机制和反应的能量路径。通过本实验,使学生初步掌握量子化学计算通用软件高斯(Gaussian)的使用方法,掌握结构优化、频率计算、过渡态搜索等基本计算操作,并学会采用量子化学计算手段来研究化学反应的基本过程,为将来科研工作打下重要基础。     

理论与实验相结合，培养化学创新人才——以气相色谱法分析醇系物实验为例

基础化学实验教学中,学生易由于对相关化学原理理解不足等原因处于被动学习状态,影响实验教学效果。理论化学研究可以直观形象地给出基础化学原理中涉及但无法直接观测的物质之间的相互作用,物质内部电子的运动规律,光、电与分子或分子中电子的相互作用等微观尺度的信息,将抽象的原理和理论教学内容形象化,加深学生对基础化学原理的理解。本文以气相色谱法分析醇系物实验为例,介绍团队将简单理论化学计算融入到基础化学实验教学中,为提高教学质量、实施创新人才培养而采取的举措和实施效果。学生在完成传统实验内容的同时,利用密度泛函理论研究醇系物与吸附材料的相互作用,并完成对计算结果和实验数据的分析和讨论等研究性任务。学情分析表明,该尝试有效地激发了学生学习基础化学理论的热情,加深了他们对化学理论的理解,也培养了学生分析问题、解决问题的能力,提高了实验教学效果,为拔尖创新人才的培养保驾护航。     

过渡态理论在化学体系中的2个应用实例*

在大学本科一二年级的物理化学教学中,化学动力学章节的学习涉及到对不同时间尺度的认识。本文利用过渡态理论得到的速率常数表达公式,以乙烷分子碳/碳单键旋转和水分子氢键交换的动力学过程为例,对这2个应用实例的动力学过程所发生的时间尺度做出估算。这些时间尺度的估算对于学生理解不同动力学过程的物理图像至关重要,同时也有助于加强学生对重要公式的理解并能够将这些公式在化学体系中灵活运用。     

计算化学在认识吸附现象中的应用*

吸附是重要的表面物理化学现象,其在工业实践及生活中有较多的应用。随着量子化学理论的发展及计算机技术的不断突破,采用计算化学的方法研究物质结构及化学反应已经变为现实,本文着重讲述如何采用计算化学方法研究吸附现象,在分子原子层次对吸附现象的本质进行模拟研究。     

量子化学和统计热力学结合的实验:确定过氧化氢二面角

介绍一个面向高年级本科生的计算化学实验。通过量子化学计算与统计热力学方法相结合,预测了298 K时过氧化氢的二面角,并与实验值进行比较。通过这一应用实例,使学生能够深入理解结构化学和物理化学的相关理论知识,尤其是对统计热力学的本质有一个直观认识,提升学生利用统计热力学处理科学问题的能力。     

分子模拟技术在高分子科学实验中的应用

分子模拟技术是一项成熟的、有潜力的计算机实验技术,计算机具备高速稳定的图形处理能力,可以将实验结果以数据和图形的形式呈现出来,数据库技术可以方便的提取和存储各种分子模型和聚合物片段,通过可视化的三维图形的让学生更容易理解高分子科学的抽象概念,分子动力学的计算方法以牛顿力学为基础,在一定力场下建立周期性边界条件模型,通过几何构型优化和动力学运算,直观地了解到高分子的近程结构和聚集态结构,计算得出普通高分子实验无法得到微观相态结构,丰富了实验内容,开拓了高分子科学实验的新领域。     

自由软件R及其在化学中的应用

论述了在科学研究领域中推广自由软件的重要性,并就其中的典型代表———统计处理软件R在化学领域中的应用列举了三个实例:分子动力学数据的统计分析、物理化学实验数据处理及碳纳米管分子模型的构建,给出了详细操作步骤。除文中列举的实例外,R还可被应用于化学模式识别、图形制作等领域,是化学工作者处理实际问题的一大利器。     

蒽与马来酸酐Diels-Alder反应的量化计算研究——介绍一个计算化学实验

蒽与马来酸酐的Diels-Alder反应是基础有机化学实验课程中普遍开展的一个经典实验。本文推荐蒽与马来酸酐Diels-Alder反应的计算化学实验,该实验采用Gaussian 16程序中的密度泛函方法对蒽和马来酸酐Diels-Alder反应的反应机理进行了研究。旨在通过本实验激发学生对有机化学和计算化学的兴趣,加深学生对化学学科的理解,提升学生在科研工作中学以致用的能力。