DSMC热化学模拟分子数对氮氧离解反应计算影响的分析

准确模拟高速流场中的热化学非平衡问题一直都是各种流场数值计算的难点。DSMC作为一种有效的流场模拟方法,从统计学的角度而言,作为统计母体的模拟分子数是影响计算准确性的关键。Bird等[Bird,1990]针对不涉及热化学非平衡的流场提出了一个统一的模拟分子数选取规则。本文在热浴条件下使用DSMC模拟了空气中三种常见氮氧气体的离解反应,对涉及热化学非平衡的流场中模拟分子数对DSMC精度的影响进行了分析。结果表明:与Bird针对普通流场所提出的统一模拟分子数选取规则不同,在不同的流场物理条件(本文主要为温度)下,得到正确结果的模拟分子数阈值与温度成正相关(最小离解度与最大离解度模拟分子数选择下限相差10倍),超出阈值后增加模拟分子数对流场精度并无明显提高,这一结果与Parker的分子能量传递理论相符。从保证计算精度和平衡计算效率的角度,本文的结论对DSMC非平衡流场模拟具有参考价值。

模拟分子生物学检验室对学生专业技能培养的研究

随着分子生物学技术越来越多地被应用于临床检验,为培养符合临床需要的分子检验人才,需要学生在校期间加强动手实践能力培养,通过建立模拟分子生物学检验室,对学生系统地进行检测项目实训,使学生能尽早地进入角色,缩短临床培训时间,利于实习和就业。

乳源ACE抑制肽作用于靶标模拟分子机理研究

利用分子柔性对接方法模拟研究4种较典型的血管紧张素转化酶Ⅰ(ACE)抑制肽KVLPVP(Lys-Val-Leu-Pro-Val-Pro)、YKVPQL(Tyr-Lys-Val-Pro-Gln-Leu)、VYPFPG(Val-Tyr-Pro-Phe-Pro-Gly)、IASGQP(Ile-Ala-Ser-Gly-Gln-Pro)与ACE相互作用的分子机理,确定它们的作用位点、作用力类型及相互作用能。结果表明:4种ACE抑制肽与ACE的活性口袋之间存在氢键、疏水、亲水、静电力、配位键等相互作用力,它们共同维持了肽与ACE复合物构象的稳定。ACE活性口袋中的关键氨基酸残基为:His353、Ala354、Ser355、Ala356、Glu384、Glu411、Pro519、Arg522、Tyr523,小肽分子中的关键基团为:氮端氨基、肽键羰基、碳端羧基;KVLPVP、YKVPQL、VYPFPG、IASGQP与ACE之间的结合能呈由低到高的趋势,表明它们与ACE之间的结合依次减弱,这与它们的IC50值依次增大的趋势相一致。

三七治疗骨关节炎机制:基于UHPLC-QE-MS、网络药理学及分子动力学模拟

背景:课题组前期研究发现三七能够修复骨细胞的形态结构,对于治疗骨关节炎具有良好的应用前景,但目前对于三七的具体作用机制尚不清楚。目的:采用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱串联质谱(ultra-high performance liquid chromatography-Q exactive-mass spectrometry,UHPLC-QE-MS)技术鉴定三七的主要成分,并结合网络药理学、分子对接和分子动力学模拟探究三七治疗骨关节炎的作用机制。方法:利用UHPLC-QE-MS技术鉴定三七的主要成分后,运用TCMSP数据库筛选活性成分,通过TCMSP和Uniprot数据库查找活性成分靶点,通过疾病数据库筛选骨关节炎靶点。在药物靶点与疾病靶点取交集后,导入STRING数据库和Cytoscape软件构建蛋白互作网络筛选关键靶点,通过“活性成分-作用靶点”网络筛选关键活性成分。再对关键靶点进行富集分析,并对关键活性成分和关键靶点进行分子对接验证,最后选取结合能最低的结果进行分子动力学模拟。结果与结论:①在三七溶液中共鉴定出57种活性成分,成分靶点与疾病靶点交集50个,关键活性成分5个(槲皮素、熊脱氧胆酸、山奈酚、柚皮素和红藻氨酸),关键靶点5个(白细胞介素6、基质金属蛋白酶9、白细胞介素1β、白蛋白和趋化因子配体2);②基因本体功能富集642个条目,其中620个条目代表生物过程,21个条目代表分子功能,1个条目代表细胞成分;京都基因与基因组百科全书通路分析63条通路,主要涉及雌激素信号通路、白细胞介素17信号通路和高糖基化终末产物-高糖基化终末产物受体信号通路;③分子对接显示关键活性成分和关键靶点结合活性良好,分子动力学模拟提示槲皮素和基质金属蛋白酶9间的相互作用稳定;④对三七成分进行了较全面研究,初步阐明了其药效物质基础,预测三七可通过多组分、多靶点、多途径和多通路发挥抗炎、软骨保护和免疫调节作用来治疗骨关节炎。

纳米尺度下水液滴撞击固体表面润湿性行为的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法研究纳米尺度下水液滴碰撞铜壁面的润湿过程,水滴温度和固液作用强度对润湿性行为的影响以及直径为4.67 nm球形液滴在273 K-353 K温区、固液作用强度在1-3范围内,水滴的润湿行为和平衡接触角与温度、固液作用强度之间的变化关系.研究结果显示:液滴在不同润湿性壁面上会产生明显不同的润湿演化特性.模拟结果表明对于亲水材料,由于壁面附近水分子所受的势能束缚随温度升高而增强,平衡接触角则相应减小;对于疏水材料,由于随温度的升高分子之间增加的势能大于固液之间增加的势能而表现出平衡接触角随着温度升高而增大的趋势.因此,针对其材料亲水性能,可以通过改变温度影响其润湿行为,从而提高传热、传质和自清洁性能.

真空预冷压强对鲜枸杞SOD酶活性的影响及分子动力学模拟

为探究真空预冷处理对鲜枸杞超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性的影响及其分子水平机理,本研究将宁夏新鲜枸杞置于真空预冷900、1100 Pa压强下处理,提取粗酶液进行SOD酶活性测定,并进行150 ns分子动力学模拟研究SOD酶在不同真空预冷压强处理下的内部变化,分析均方根误差、回旋半径、总能量、势能、动能、键角能、均方根涨落、氢键数量、表面结构、溶剂可及表面积的改变,进而筛选出真空预冷处理的最佳压强条件。结果显示,900 Pa处理下SOD酶活最高。分子动力学模拟结果表明,体系总能量、势能、动能及键角能均处于平衡稳定状态,压强增大使得蛋白质表面结构改变,氢键数量减少,溶剂可及表面积不断减小。在900 Pa处理下,蛋白质结构最紧密,活性口袋变宽且易与蛋白结合。而1100 Pa处理下酶蛋白活性降低,蛋白结构破坏,活性口袋变小。本研究可为研究鲜枸杞保鲜及加工提供科学参考。

多光谱法和分子对接模拟法研究茶碱和胃蛋白酶的相互作用

在模拟生理条件下,通过紫外可见吸收光谱法、傅里叶红外光谱、荧光光谱、三维荧光光谱、同步荧光光谱、圆二色谱等方法以及分子对接模拟法对茶碱(TPL)与胃蛋白酶(PEP)的结合机理进行了研究,在分子层面探讨TPL与PEP相互作用的机制,有助于对TPL的药理毒性、药效进行深入研究。根据Stern-Volmer方程,计算在298、 303和308 K三种温度下TPL对PEP的动态荧光猝灭速率常数Kq远大于最大动态荧光猝灭常数2.0×10^(10)L·(mol·s)^(-1),证明TPL对PEP的猝灭方式为静态猝灭。随着TPL浓度的不断升高,PEP的动态猝灭常数Ksv呈规律性下降趋势,TPL可以有效对PEP的内源荧光进行猝灭,进一步判定作用机制为静态猝灭。三维荧光图谱分析表明,体系中随着TPL浓度的不断升高,PEP中代表色氨酸残基与酪氨酸残基以及肽链骨架结构的荧光强度峰值明显降低,且峰位发生红移,表明TPL对PEP的二级结构产生影响。同步荧光图谱分析表明TPL与PEP结合时,主要集中在色氨酸的残基上。红外光谱表明TPL引起PEP内官能团伸缩振动,使PEP的二级结构发生改变。紫外吸收光谱表明随着混合体系中TPL浓度增大,吸收峰峰值逐渐增大,表明TPL可以改变PEP的二级结构。分子对接模拟法表明,TPL与PEP中氨基酸残基GLU13、 VAL30、 TRP39、 GLY76、 GLY78、 PHE117的结合作用力为范德华力,与氨基酸残基THR77、 GLY217形成氢键,与氨基酸残基TYR75、 LEU112、 ILE120、PHE111之间存在疏水作用力,证明两者主要通过范德华力与氢键结合,进一步证明TPL改变了PEP的二级结构。圆二色谱分析显示PEP中β-折叠的占比从50.2%下降至48.8%, α-螺旋结构的占比从8.1%上升到8.4%;β-转角的占比从18.3%上升到18.7%;无规则结构的占比从29.1%上升到29.2%,表明TPL改变了PEP的二级结构。实验研究结果有助于了解TPL与PEP的结合作用机制,为TPL的使用及研究提供了数据依据。

分子动力学模拟在沥青体系中的应用研究进展

随着计算机技术的飞速发展,分子模拟方法已被广泛应用于各个领域。本文总结了沥青分子模型、老化沥青模型、集料模型的构建方法以及基质沥青模型的验证方法。通过分子动力学(MD)模拟,探讨了沥青的性质与性能、沥青的扩散现象、改性剂对沥青的改性作用、沥青老化与再生以及沥青与集料的界面相互作用。MD模拟方法能够预测沥青材料的性能,包括基质沥青的力学性能、低温性能、抗老化性能、自愈合性能,基质沥青与改性剂的相容性以及沥青与集料界面的力学性能、黏附性等性能,架起了宏观和微观行为之间的桥梁,为MD模拟在沥青材料的广泛应用提供了指导。但MD模拟在沥青体系中还需要进一步完善,如初始模型的建立、力场的优化和模型验证等,目前分子动力学模拟只关注沥青材料与改性剂之间的物理作用,缺少对两者之间化学作用的研究。此外,分子动力学在沥青混合料中的应用目前只限于沥青与集料界面之间的研究。最后,对MD模拟在沥青体系中的未来发展方向进行了展望,在未来需要使用MD方法来研究沥青的高温流变性能、沥青与改性剂的界面模拟以及多种改性剂与沥青之间的相互作用。此外,还需要探究多种因素(如裂缝宽度、改性剂、温度和再生剂)共同作用下对沥青自愈合性能的影响,为了探究沥青与改性剂之间的化学相互作用,建议结合量子力学等其他模拟方法进行研究,在沥青混合料方面建议结合有限元等模拟方法来研究沥青混合料的性能。

基于分子动力学模拟的矿物基础油泡沫破裂性能研究

润滑油中的泡沫会增加设备间的磨损,减少油品中的泡沫可以有效降低能源消耗。选用四种矿物型基础油的代表性烃类组分构建了泡沫液膜的分子模拟体系,通过分子动力学模拟分析了液膜破裂过程的微观机理,并计算了单组分及混合组分液膜的破裂时间作为液膜稳定性的评价指标。在此基础上,研究了基础油结构与添加剂、抗泡剂的加入对油基泡沫液膜破裂时间的影响。结果显示,在液膜破裂的过程中,初始孔洞的出现,会显著加快液膜破裂进程,在各基础油体系中加入添加剂、抗泡剂后,液膜破裂时间变化与扩散系数的变化一致,符合泡沫破裂的排液机理。提出的研究方法可从分子层面深入分析油基泡沫的稳定性及破裂机理,探索减少润滑油品泡沫的方法。

不同类型表面活性剂对烟煤润湿性能影响的分子模拟及实验

喷雾降尘是现阶段矿井使用最广泛的除尘方式之一,水对煤的润湿性能对喷雾降尘效果有着直接的影响,所以在水中加入表面活性剂可提高水对煤的润湿性能。为探究不同类型表面活性剂对烟煤粉尘润湿性能影响,以快渗T、1227、BS-12和APG 4种类型的表面活性剂为代表,采用分子模拟技术和实验室实验相结合对烟煤的润湿性能进行了研究。一方面,利用分子模拟手段构建了表面活性剂水溶液的界面体系,基于氢键形成数目和径向分布函数理论,对表面活性剂自身的亲水性进行了模拟分析,并开展了4种试剂的表面张力实验,研究发现,快渗T形成氢键的数目最多,为398个,且径向分布函数曲线出现峰值最早在1.99×10^(-10)m处,最易与H_(2)O分子吸附,实验结果也表现为快渗T对水的表面张力削弱最强,即表面张力最小,为24.4 mN/m。另一方面,通过静电势计算,结合构建的表面活性剂/水/烟煤三元吸附体系相互作用能分析,研究了4种表面活性剂对烟煤润湿性影响,并分别开展了烟煤在4种试剂中的沉降实验和接触角实验,结果表明,快渗T与烟煤分子结合后该部位与水分子的电势差最大,为6.8535 eV,其与烟煤间相互作用能也最大,为-2705.12 kJ/mol,实验结果也表现为2种烟煤在快渗T中的沉降时间最小,分别为26.3、10.22 s,接触角最小,分别为25.8°、21.7°,由此表明分子模拟结果均与实验结果一致,均验证得出阴离子型表面活性剂快渗T对烟煤的润湿性能为最好。

火箭煤油传递特性分子动力学模拟研究

针对火箭煤油中添加减阻剂后导致对流换热系数减小、传热效果减弱问题,从微观尺度研究纳米颗粒的加入对火箭煤油黏度和导热系数的影响关系。通过分子动力学(MD)模拟方法,采用Green-Kubo方程的平衡分子动力学(EMD)模拟对火箭煤油传热规律进行系统研究。模拟常温下(T=303K)加入传热增强剂纳米颗粒后的火箭煤油黏度与传热特性。以纳米颗粒质量分数与纳米颗粒粒径为变量,对纳米流体的导热强化规律进行研究,在此基础上将导热油与碳氢燃料分别加入减阻火箭煤油中并与纳米流体的黏度与导热系数进行比较,模拟结果表明增加纳米颗粒质量分数可使粒子间距离减小,加强了粒子间的相互作用以及热传递过程,可有效增加流体黏度和导热系数。

褐煤与水微观相互作用的分子机制:多尺度分子模拟

煤与水的表面相互作用是洁净煤技术领域的重要科学问题之一。然而,褐煤与水的相互作用是一个复杂的物理化学过程,其微观机制在原子尺度和电子结构方面仍不明确。尤其缺乏褐煤中不同官能团与水之间相互作用能量、稳定性结构特征、相互作用本质的系统考察。基于多尺度分子模拟研究了褐煤与水微观相互作用的分子机制。基于量子化学计算重点考察典型褐煤模型结构中不同官能团与单分子水的相互作用,获得水分子在褐煤不同位点吸附的局域极小构象,以及稳定吸附构象的几何结构特征。基于独立梯度模型的直观绘景阐释了褐煤与水分子之间的相互作用形式主要为范德华作用和氢键。借助能量分解分析方法定量描述并确定了静电作用是稳定煤-水相互作用的最主要因素。此外,还基于分子动力学模拟揭示了不同数量褐煤分子与大量水分子相互作用的组装行为和演化特征,阐明了褐煤分子结构在大量水中的团聚现象。分子动力学模拟结果同样印证了褐煤和水分子主要以静电作用结合。

长链烷基甜菜碱表面活性剂在驱油用油水界面行为的分子模拟研究

随着化学驱规模化实施,表面活性剂的需求量猛增,而甜菜碱型表面活性剂由于其优异的界面活性、抗盐性能及绿色环保等特点,是适合油田多场景开采的一类高效驱油剂。为从分子尺度探究长链烷基甜菜碱型表面活性剂的界面活性并解释提采机制,利用分子动力学模拟研究了不同疏水链长和亲水基团的甜菜碱型表面活性剂油水界面行为和微观分子构型。通过与实验数据相互验证,为宏观实验现象提供了微观分子层面解释,并归纳了长链烷基甜菜碱型表面活性剂的界面作用机制,为根据分子模拟界面迁移及分布规律进行驱油剂设计提供指导。

典型层状硅酸盐矿物分子模拟研究进展

层状硅酸盐矿物性质特殊,在矿物浮选、矿物材料应用等领域的研究都备受关注。分子模拟作为一种高效分析预测手段,能从微观角度理解层状硅酸盐矿物的性质。综述了滑石、蛇纹石、蒙脱石、高岭石、云母等5种典型层状硅酸盐矿物的分子模拟研究现状,主要包括层间水化作用、矿物吸附浮选药剂及其他污染物,旨在进一步认识层状硅酸盐矿物并更好地分离与利用层状硅酸盐矿物。

产水气井碳酸钙阻垢剂分子模拟研究

为了解决西南油气田分公司磨溪气田龙王庙组地层水矿化度高、结垢离子多导致油管经常发生碳酸钙结垢堵塞的问题,采用分子动力学模拟阻垢剂与钙离子和碳酸根离子相互作用过程,分析阻垢剂阻止碳酸钙垢的机理。在不同温度条件下分别模拟了水溶液中三聚磷酸钠和羧甲基葡聚糖阻垢剂阻止钙离子与碳酸根离子生成碳酸钙垢的过程,明确了阻垢剂与结垢离子的作用方式、阻止机理。分子模拟结果表明:碳酸钙垢的生成主要以钙离子或碳酸根离子为中心,钙离子与碳酸根离子相互吸引,当结垢阴阳离子距离达到0.25 nm后就会生成碳酸钙分子,碳酸钙分子不断聚集形成晶体,温度越高越容易结垢;阻垢剂的阻垢机理是阻垢剂的阴离子对钙离子吸引力更大,从碳酸根离子与钙离子在距离为0.25 nm的结合概率降低可以得到证明,溶液中阻垢剂阴离子之间相互排斥,垢分子与离子相对分散,碳酸钙无法聚集形成晶体;三聚磷酸钠阻垢剂的阻垢效果比羧甲基葡聚糖(CMD)阻垢剂更好,温度越高垢分子的生成概率越低,三聚磷酸钠最大概率密度比羧甲基葡聚糖(CMD)阻垢剂的小0.415倍;三聚磷酸钠阻垢剂阴离子负价高,相互排斥,造成溶液中所有阴阳离子更分散,垢分子难以聚集形成碳酸钙晶体;采用该分子模拟方法可以筛选适合的阻垢剂。

Ⅳ型储氢气瓶内衬材料聚酰胺6氢渗透行为的分子模拟研究

采用分子模拟方法,在不同温度(30、40、60、80℃)和压力(82、87.5、98、103 MPa)条件下,研究氢气在聚合物材料聚酰胺6(PA6)中的渗透性,并分析了氢气的渗透机理。结果表明,温度升高时,吸附热和自由体积分数逐渐增加,热运动加剧,分子运动空间增大,氢气在PA6中的溶解度系数、扩散系数以及渗透系数均呈增大趋势。在压力为103 MPa时,升高温度对渗透系数的影响最大,增加了88.3%。随着压力增大,氢气与PA6分子链之间的相互作用减小,自由体积分数减小,所以氢气在PA6中的溶解度系数、扩散系数以及渗透系数均呈下降趋势。在温度为60℃时,压力对渗透系数影响最显著,降低了38.6%。氢气在PA6中的渗透机理包括在低势能区的聚集性吸附过程,和在自由体积处形成的空穴内振动-空穴间跃迁的扩散过程,温度升高时,氢气分子运动变得活跃,有更多的空穴间跳跃次数,压力升高时,变化相反。

页岩油注CO_(2)重有机质沉积机理的分子模拟

页岩油注CO_(2)过程中的重有机质沉积风险不容忽视,明确页岩油注CO_(2)过程中重有机质沉积的微观作用机理是准确预测重有机质沉积风险的关键。采用平衡分子动力学(EMD)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,基于页岩基质纳米孔隙结构特征,通过建立代表性的有机质孔隙模型,探究了页岩油烃类组分在页岩基质纳米孔隙中的分布规律、影响因素及CO_(2)注入对烃类组分分布规律的影响。模拟结果表明,有机质孔隙中的重质组分主要以吸附态的形式存在,轻质组分主要以游离态的形式分布在孔隙中央区域;CO_(2)注入会抽提页岩油中的轻质组分,破坏胶质—沥青质分子的稳定结构,重有机质分子在芳核结构间的π-π堆积作用下发生缔合、沉积,并最终吸附在页岩基质纳米孔隙壁面。此外,CO_(2)注入会能置换出部分吸附态的甲烷和乙烷,干酪根基质内的微孔空间是主要的CO_(2)地质封存空间。研究结果揭示了页岩油注CO_(2)过程中的重有机质沉积的微观作用机理。

离子乳化剂对乳化沥青稳定性影响的分子模拟

为探究不同离子乳化剂对乳化沥青稳定性产生的不同影响,基于分子动力学模拟,利用Materials Studio软件构建“沥青-乳化剂-水-乳化剂-沥青”双层模型结构,模拟含不同离子乳化剂分子的乳化沥青体系,对比研究阴(SDS)/阳(CTAC)离子乳化剂对乳化沥青稳定性的影响.对比加入不同乳化剂分子后,沥青乳液的相对浓度分布、界面膜厚度、界面形成能以及静电势(ESP)的变化,分析乳化沥青的稳定性.结果表明,相较于加入CTAC乳化剂的沥青乳液,SDS乳化剂更能增大沥青与水之间界面层的厚度,减小两相的界面张力,提高乳化沥青的稳定性;从静电势角度分析,相较于CTAC乳化剂,SDS乳化剂分子烷烃链的静电势极大值更大,更易与静电势为负值的原子相结合.因此,加入SDS乳化剂的乳化沥青,其整体稳定性能要优于加入CTAC乳化剂的乳化沥青.

硫化氢气体在金属有机骨架中吸附机理的分子模拟研究

研究硫化氢(H_(2)S)气体在金属有机骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)材料中的吸附机理,对应用MOFs材料控制城市地下有限空间内的H_(2)S气体具有重要意义。以不同类型的MOFs材料作为研究对象,基于Materials Studio软件建立了MOFs-H_(2)S吸附体系,应用巨正则蒙特卡洛(Rand Canonical Monte Carlo, GCMC)方法及分子动力学(Molecular Dynamics, MD)理论研究了相互作用能、吸附热、金属位点、官能团等的影响,在分子层面讨论了H_(2)S气体在MOFs中的吸附特性及机理。应用等温吸附试验验证了所使用分子模型及力场的可靠性。结果表明:不同金属位点对于吸附量有较大影响,对H_(2)S气体的吸附作用由强到弱依次为Mg^(2+)、Ni^(2+)、Co^(2+)、Mn^(2+)、Zn^(2+);亲水性官能团的引入利于H_(2)S气体的吸附捕捉;UiO-66-Cu因其团簇为网状结构更利于H_(2)S气体的捕捉与吸附。同时,该研究建立了吸附热方程,提供了MOFs吸附效果评判标准,为MOFs材料应用于城市地下有限空间吸附H_(2)S气体提供了理论依据。

分子模拟在废水光催化脱氮实验教学的应用

设计光催化脱氮实验,利用水热横向热剥离法制备Cl/S共掺杂的无金属氮化碳纳米管作为光催化剂(Cl/S-TCN),对催化剂进行表征分析。使用Materialstudio模拟软件,探究了催化材料的电子结构变化和光催化脱氮反应。与三聚氰胺直接煅烧获得氮化碳对比发现,Cl/S-TCN具有更大的比表面积和更强的光响应强度,提高了光催化脱氮性能。DFT计算表明,表面Cl和S掺杂剂优先吸附NO3-中的O原子,并通过O原子将光诱导e-传递给N原子,最终破坏N-O键。该实验旨在培养学生从分子角度分析无金属催化剂在可见光下驱动脱氮反应,加深学生对化学知识的理解,提高学生解决复杂工程问题的能力。