大分子自组装特性计算机模拟的研究

包括表面活性剂在内的大分子在溶液中可以形成聚集体的特性,使其在工业和生活领域得到广泛的应用.研究其自组装特性对生命体内两亲大分子的聚集行为以及生物矿化和仿生合成的研究均具有重要意义.本文分别从分子热力学和分子动力学的角度,对以表面活性剂为主的大分子自组装特性计算机模拟的研究进展进行了综述,分析并展望了对大分子溶液体系理论模拟研究的发展前景。     

超分子和高分子自组装的动力学模拟研究

超分子和高分子的自组装是发展新型高性能材料的有力手段.通过自组装构筑多级有序结构,从而显著提高材料的力学、光学或电学性能,是化学和材料科学研究的前沿.然而精确调控自组装需要深入理解范德华、氢键、静电、主客体复合和π-π等相互作用以及动力学机理所扮演的角色.计算机模拟,尤其是分子动力学模拟,为研究自组装结构和演化过程提供了独一无二的手段.本文主要阐述超分子和高分子的多尺度模型和动力学模拟方法,讨论不同模拟方法的特点、适用范围和优势;进一步简述我们发展的定制模型和方法,以及同时提高模型精度和计算效率方面采取的策略.通过总结应用这些方法对超分子和高分子自组装开展的研究工作所取得的进展,为进一步发展自组装动力学模拟方法提供参考.     

表面活性剂界面自组装的分子动力学模拟

主要介绍了表面活性剂在液／液、气／液和固／液界面的自组装,详细讨论了分子动力学模拟在表面活性剂界面自组装体系的应用,指出了近年来该领域的发展现状及应用前景。     

耗散粒子动力学与可极化ABEEM力场结合模拟嵌段共聚物自组装形态调控

本文采用介观尺度上的耗散粒子动力学与基于ABEEM可极化力场的全原子分子动力学相结合的方式,从理论上探究了嵌段共聚物结构、对称性、分子组成及温度等对嵌段共聚物最终自组装结构形态的影响.模拟结果表明,这些因素均会对嵌段共聚物在选择性溶剂中的最终自组装结构产生一定影响.这一理论研究为实现可控操纵自组装结构,提供了有意义的参考.     

分子动力学模拟3(5)-(9-蒽基)吡唑分子在自组装膜上的选择性沉积

采用平衡分子动力学和拉伸分子动力学模拟方法研究了模板诱导有机发光小分子3(5)-(9-蒽基)吡唑(ANP)在自组装膜上的选择性沉积,并利用伞形取样方法和加权柱状图分析法计算了沉积过程的均力势.模拟中以二氧化硅为底板分别构筑2种不同密度的烷烃链自组装膜模板,即低密度的液体扩展相和高密度的液体压缩相.平衡分子动力学结果显示,ANP分子容易沉积至低密度的液体扩展相中,难以沉积至高密度的液体压缩相中.拉伸分子动力学结果表明,当ANP分子沉积至液体压缩相表面时,在进入烷烃膜时遇到较大阻力,因而不易进入到烷烃链单层膜中;而ANP分子在进入液体扩展相的过程中受到的阻力较小.通过比较这2种不同密度自组装膜与ANP分子之间的结合自由能,发现ANP分子进入液体压缩相的能垒较高,而ANP分子与液体扩展相结合更加稳定,导致有机发光小分子在不同密度的模板上具有选择吸附性.所得模拟结果与实验现象一致,在分子水平上为实验提供了更加丰富的微观信息.     

异氰衍生物在Au(111)表面吸附和自组装的研究

本文通过密度泛函理论和分子动力学模拟方法研究了异氰衍生物在Au(111)表面的吸附和自组装。分别采用平板模型和簇模型对苯异氰的吸附进行了密度泛函理论计算。利用自己建立的Au-C力场参数模拟了2-isocyanoazulene 和1,3-diethoxycarbonyl-2-isocyanoazulene 在 Au(111)的自组装。通过计算得到顶位吸附是最稳定的；通过模拟得出异氰衍生物确实能在Au(111)表面形成有序的面对边自组装单层，并且分子都能垂直位于Au(111)表面上。     

Fmoc-FF二肽分子自组装过程的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟研究了Fmoc-FF二肽分子在溶液中的自组装过程,探究了自组装过程中的驱动力及水桥结构对聚集体稳定性的影响.结果表明,Fmoc-FF二肽分子可以在水溶液中自组装形成结构规整的圆柱形纳米棒;根据Fmoc环间的径向分布函数,通过比较二肽分子之间及二肽分子与水分子间的相互作用,推测二肽分子间的π-π相互作用是自组装过程的主要驱动力;另外的驱动作用体现在二肽分子与水分子之间形成的氢键,其中水分子以水桥结构连接不同的二肽分子,这种水桥结构对自组装结构具有稳定作用.     

DNA非均匀功能化纳米粒子的可编程自组装行为

DNA非均匀功能化纳米粒子作为一种可编程原子等价物,在多层次自组装结构领域具有重要的应用前景。构建了DNA非均匀功能化纳米粒子的粗粒化模型,并利用分子动力学模拟其自组装过程。通过计算机模拟发现,互补DNA序列间发生杂化反应,纳米粒子形成三维网络状和支化超结构;通过构建纳米粒子自组装结构的几何模型,能够正确预测纳米粒子之间的相对位置及其分布;通过调节互补的DNA功能化纳米粒子的化学计量比,显著地改变了自组装超结构和动力学行为。     

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。     

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。     

二维DNA晶体的程序化设计与自组装的研究进展

按照Watson-Crick的碱基配对原则，在理论上能够人工设计与合成DNA碱基序列并自组装成任何一维和二维结构的DNA晶体。DNA分子这种底端向上(bottom-up)的自组装模式为我们提供了一种精确合成纳米材料的方法。本文将从程序化设计、合成刚性的DNA分子瓦(DNA tile)、分子瓦自组装成二维DNA晶体以及二维DNA晶体作为模板在纳米技术中的应用等方面展开，简述这一新奇的并且有着潜在应用前景的研究领域的最新进展。     

栗钙土胡敏酸分子三维结构模型构建及其优化

本研究的目的在于确定胡敏酸的分子结构,探究其结构与性质的关系。综合应用了元素分析、红外光谱、13C核磁共振波谱等仪器分析方法对内蒙古草原样地栗钙土土壤的胡敏酸分子结构特征进行比较分析,并基于实验结构数据构建了土壤胡敏酸结构单元模型,通过模拟光谱与实际光谱比较验证了构建的二维结构有很大的可适性。借助Hyperchem软件,在MM+、AMBER、OPLS三种力场下应用分子模拟方法对三维单体结构进行分子力学、分子动力学结构优化。结果表明土壤胡敏酸的三维结构单体在AMBER力场下生成热最小,等于-1638.87 kJ/mol,所以其构象最为稳定。同时模拟其处于水环境下的分子结构,总势能及各种能量在优化前后有变化,但总体来说各种状态都较稳定。     

Advances in self-assembly and regulation of aromatic carboxylic acid derivatives at HOPG interface

Aromatic carboxylic acid self-assembly has been a hot research field for many scientists due to its strong coordination ability and flexible coordination mode.The hydrogen bond formed between aromatic carboxylic acids is a strong intermolecular force and has directionality and saturation,which plays a very important role in the self-assembly and regulation of aromatic carboxylic acids.In this review,we introduce surface organization formed by aromatic carboxylic acids with the aid of scanning tunneling microscopy(STM).These two-dimensional structures include molecular templates,host-guest systems,and photo-isomerization structures.We also emphasize the thermodynamics and dynamics,which are important research topics of current and future study.     

Parameters of monovalent ions in the AMBER-99 forcefield: assessment of inaccuracies and proposed improvements

The monovalent ion parameters used by the AMBER-99 forcefield are shown to exhibit physically inaccurate behavior in molecular dynamics simulations of strong 1:1 electrolytes. These errors arise from an ad hoc adaptation of Aqvist's cation parameters. The result is the rapid formation of large, unphysical clusters at concentrations that are well below solubility limits. The observed unphysical behavior poses a serious challenge for simulating ions around highly charged polymers such as nucleic acids. In this communication, we explain the source of this unphysical behavior. To facilitate the continued use of the popular AMBER parameters, we prescribe a simple fix whereby Aqvist's cations and anions are used in conjunction with the AMBER forcefield for nucleic acids. A preliminary test of this strategy suggests that the proposed fix is reasonable and is likely to be generalizable for simulating diffuse and specific ion binding to nucleic acids.     

Self-assembly and elastic instability in polymer flows

This paper is devoted to the discussion of problems related to elastic instability arising in polymer flows. A new model of the rotary dynamics of macromolecules in shear fields of different geometries is proposed. The model is based on the nonlinear finite-difference Schródinger equation describing the process of self-assembly for the system of bonded macromolecules as rotators. It is shown that the self-assembly of macromolecules is accompanied by the chaos-order transition that creates prerequisites for the flow elastic instability obeying the bifurcation mechanism. The self-assembly of macromolecules in shear fields is accompanied by the growth of the space scale in the molecular correlation and can lead to formation of rheological spiral and fibril superlattices.     

杂臂星型嵌段共聚物在溶液中自组装形成囊泡结构的计算机模拟

利用耗散粒子动力学模拟方法, 研究了杂臂星型嵌段共聚物A_m(B_n)₂在溶液中自组装形成囊泡的行为. 主要分析了自组装过程、亲水分枝和疏水分枝的长度及分子构型对组装结构的影响. 结果表明, 杂臂星型聚合物在溶液中会自组装形成碟状胶束, 之后弯曲闭合形成囊泡. 当亲水部分的分枝较短时, 易于形成囊泡结构; 在可形成囊泡结构的条件下, 双分子层囊泡膜的厚度随分枝长度的增加而增加. 与构成相近的线型嵌段共聚物相比, 杂臂星型嵌段共聚物更易形成囊泡结构, 且形成的囊泡结构较薄.     

层层自组装聚电解质多层膜的制备及在膜分离中的应用

扼要论述了聚电解质自组装膜制备过程中电荷密度、驱动力及增长方式等对膜厚和膜结构影响的基本规律,着重介绍了近年来聚电解质自组装渗透气化膜和离子分离膜研究概况。对聚电解质自组装分离膜今后的研究工作提出了建议。     

层层自组装聚电解质多层膜的制备及在膜分离中的应用

扼要论述了聚电解质自组装膜制备过程中电荷密度、驱动力及增长方式等对膜厚和膜结构影响的基本规律,着重介绍了近年来聚电解质自组装渗透气化膜和离子分离膜研究概况。对聚电解质自组装分离膜今后的研究工作提出了建议。     

Adaptive integration of molecular dynamics

This article presents a particle method framework for simulating molecular dynamics. For time integration, the implicit trapezoidal rule is employed, where an explicit predictor enables large time steps. Error estimators for both the temporal and spatial discretization are advocated, and facilitate a fully adaptive propagation. The framework is developed and exemplified in the context of the classical Liouville equation, where Gaussian phase-space packets are used as particles. Simplified variants are discussed briefly. The concept is illustrated by numerical examples for one-dimensional dynamics in double well potential.     

Time-domain and frequency-domain differential calorimetry

The heat capacityC _p of a sample can be considered as a frequency dependent quantity; its behaviour can reflect the dynamics of enthalpy fluctuations. In order to take into account the dynamic nature of the measured quantity, calorimetry can mimic experimental methods as those of dielectrometry, performing experiments in time domain or in frequency domain.In this paper, an instrument is presented which is based on a calorimetric method meeting these requirements, and thus allowing to study sample dynamics of very viscous systems as glasses and some supercooled liquids. Moreover, experimental procedures permitting investigation of samples undergoing chemical and/or physical transformations by simultaneous measurements of enthalpy variation, heat capacity and, under certain conditions, thermal conductivity, are discussed.