基于粗粒化分子动力学的自由水与水化硅酸钙孔隙水冻结模拟

水化硅酸钙是水泥基材料的主要水化产物,其孔隙内的水分是影响水泥基材料抗冻性的主要因素。本文基于粗粒化分子动力学方法研究水化硅酸钙孔隙水的冻结机制,针对水的粗粒化P_(4)粒子和水化硅酸钙胶体颗粒,建立了水化硅酸钙孔隙水的冻结模型。根据此模型计算了不同孔径孔隙水冰点,分析了水泥基材料孔径孔隙在冻融破坏中的危害程度;模拟得到了水化硅酸钙孔隙内水的冻结分布特征和密度分布特征。研究工作表明,本文建立的模型有效提高了分子动力学模拟水化硅酸钙孔隙水冻结问题的规模,为后续进行水泥基材料的冻融破坏分析提供了研究基础。

高分子粗粒化分子动力学模拟进展

模拟与理论、实验相互补充,彼此验证,使我们在原子和分子尺度上理解相关实验现象中的微观物理机制。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟已发展成为独特的高分子科学研究手段,在高分子材料优化设计和性能与结构间的性能关系研究中起重要作用。高分子具有不同层次的结构,材料的性质和功能不仅取决于化学结构和分子性质,而且很大程度上取决于分子聚集状态,即相态结构。因此借助计算模拟深入认识材料在不同尺度(微观到宏观)结构与性能依赖关系,是未来材料实现虚拟设计的必经之路。但是目前的模拟计算要实现"终极目标"—聚合物多尺度连贯研究,需要完善不同尺度下模拟计算方法,建立不同尺度间的贯通,特别是建立衔接从微观到介观的结构及热力学自洽的系统粗粒化方法迫在眉睫。

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MonteCarlo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.

丙烯腈含量对氢化丁腈橡胶热学性能影响的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法构建氢化丁腈橡胶(HNBR)模型,研究丙烯腈(ACN)含量对HNBR热学性能的影响。结果表明:随着ACN质量分数的增大,HNBR分子链的取向性下降,HNBR的热导率减小,玻璃化温度升高,耐低温性能下降;分子的非键能和二面角扭转能对HNBR的玻璃化转变过程有重要影响。

石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的拉伸性能:粗粒化分子动力学模拟

高强度是复合材料设计追求的重要目标,自然界中的珍珠层具有优异的力学性能,受其复杂的层次结构的启发,设计了一种石墨烯交错排布增强聚甲基丙烯酸甲酯的纳米复合材料。利用粗粒化分子动力学模拟,系统地研究了拉伸载荷作用下石墨烯的二维几何形状、层数、空间排布对纳米复合材料整体力学性能的影响。结果表明,不同几何形状的石墨烯对复合材料的增强效果有很大的差异,其中,矩形与锯齿形接近,都强于梯形石墨烯;存在最佳的石墨烯层数使复合材料的整体拉伸力学性能最强;减少石墨烯层间距离或增加重叠距离,都可提升其力学性能。总之,现有的研究结果揭示了各个因素的影响规律及微观机制,为设计具有目标性能的纳米复合材料提供了理论指导。

基于分子动力学模拟研究交联密度对氢化丁腈橡胶性能的影响

采用分子动力学构建交联密度为0,10%,20%,30%和40%的氢化丁腈橡胶(HNBR)分子模型,研究交联密度对HNBR性能的影响。结果表明:HNBR分子模型的玻璃化转变温度(T_(g))随着交联密度的增大而升高,交联密度为0~10%时,T_(g)升高较快,交联密度大于10%时,T_(g)升高速率趋于平缓;HNBR分子模型的均方位移(MSD)随着交联密度的增大而减小,分子链的柔顺性变差,交联密度达到30%后,MSD变化较小;交联密度为0~30%时,HNBR分子模型的拉伸性能随着交联密度的增大而提高,交联密度为30%时,HNBR分子模型的拉伸性能最好,交联密度大于30%时,晶格内应力集中,HNBR分子模型的拉伸性能随交联密度的增大而降低。

双酚A-聚碳酸酯湿热老化链内/链端水解反应机理的粗粒化分子动力学-动力学蒙特卡洛模拟

提出了用粗粒化分子动力学与动力学蒙特卡洛相结合的模拟方法(C-K方法),在较大空间和时间尺度下研究了不同初始聚合度及水含量的聚碳酸酯(PC)的湿热老化规律及链内/链端水解分子机理。发现在多数条件下PC的水解反应主要发生在链内,且链内水解位置多位于距链端2~20聚合度处,这可能与链内反应位点远多于链端有关。降低PC的初始聚合度使得老化前期链端水解比例上升,在一定范围内降低PC的水含量则对链端/链内水解机理影响不大。

多层石墨烯的粗粒化分子动力学模型与力学性能

为了有效研究多层石墨烯等石墨烯集合体的力学性能,避免由于实验难度大、全原子计算成本高等带来的困难,基于Tersoff势函数提出一种可用于计算大规模石墨烯的粗粒化分子动力学方法.该方法计算时只需输入原子坐标,大大减少了模型的数据处理,提高了计算效率.通过与全原子模型计算结果比较,本文提出的粗粒化分子动力学方法可以准确预测多层石墨烯的拉伸破坏性能,对制备高性能石墨烯纤维有一定的指导意义.

氩蒸气在球形固体颗粒上异质核化的分子动力学模拟(英文)

异质核化在大气中广泛存在,但是其微观核化机理鲜为人知,本文应用分子动力学方法模拟过热氩蒸气在纳米球形固体颗粒物上异质核化的动态特性,讨论不同的冷却率对核化过程中系综温度、团簇分布、团簇大小以及核化速率的影响.结果显示,系综内蒸气的核化温度随着冷却率的增加而降低,预先存在的球形固体颗粒在团簇的形成阶段起着重要的作用,而且存在一个临界冷却率1.80×10-9J·s-1.在该冷却率下,在异质核化系综内均质核化出现,并与异质核化共存,但是异质核化在整个核化过程中仍然占主导地位.

不同映射中心的PMMA粗粒化分子动力学模型

建立了基于分子动力学的聚合物粗粒化模型,用于从介观尺度分析聚合物在微纳通道内的流动状态。首先,采用Materials Studio软件构建了全同异构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)全原子模型,并基于该模型建立了不同映射中心的粗粒化初始模型。对全原子模型进行结构优化和动力学分析,获得了体系的势能统计规律,并采用高斯拟合函数与玻尔兹曼变换方程得到粗粒化力场的初始参数。随后,根据键伸缩势、键弯曲势、非键结势等各项势能的相对强度和相互影响关系,依次迭代并修正力场解析式,获得优化后的粗粒化模型。最后,统计了粗粒化模型中的均方末端距和均方回转半径等静态特性,并与全原子模拟进行对比验证,结果显示二者之间的相对偏差分别为0.68%和6.6%。研究结果表明,映射中心的选取对模型参数有较大影响;优化后的粗粒化模型能很好地吻合全原子模拟下的统计规律,能用于分析和解释纳注射成型中的流动传质问题。

用粗粒化分子动力学方法研究蜂毒素与磷脂双分子层的相互作用

为了了解蜂毒素的生物活性机理,采用粗粒化分子动力学模拟方法研究了蜂毒素在水环境中的性质以及与多种磷脂双分子层膜的相互作用.结果表明:无论是在水环境还是在磷脂双分子层中,蜂毒素都能形成聚集体.在每个聚集体中,蜂毒素分子之间的相对位置不断变化,会在蜂毒素分子之间形成无特定形状的空隙,从而在膜内产生暂时的孔洞或者跨膜通道.蜂毒素分子的N端和C端带正电荷的残基与磷脂膜带负电荷的磷脂头之间的静电相互作用是蜂毒素发挥功能的关键因素.

粗粒化DNA穿孔行为的分子动力学模拟

核酸穿过核膜或细胞膜等穿孔行为,是重要的生命活动之一。为进一步了解核酸穿孔过程,建立DNA粗粒化模型,运用分子动力学方法模拟DNA穿孔行为。结果表明,孔长越长,孔内拉力越大,DNA链在孔外等待的时间越短,穿过孔所需的时间越短;但其中各因素的单独影响作用都比较有限;孔右侧力场对穿孔时间影响显著,一定条件下对穿孔过程起决定性作用。

分子动力学模拟在有机化学教学中的应用

以聚丙烯酸、环己烷等有机分子为例,将分子动力学模拟与有机分子的立体构象、聚合方式、分子间作用力、有机高分子材料等有效结合,通过三维结构演示、体系能量计算等,引导学生从微观角度认识有机小分子及有机高分子材料。在《有机化学》授课过程中充分发挥分子动力学模拟的优势,实现有机分子立体异构、光学异构、聚合方式、结合能等抽象问题的可视化教学目标,提高课程教学的趣味性及学生的参与度,从而达到提升教学质量的目的。

基于粗粒化分子动力学的自支撑石墨烯镜面屈曲研究

在扫描隧道显微镜的观测中发现了自支撑石墨烯膜镜面屈曲这一独特现象,目前尚少有研究人员对其进行系统性的研究.对于这种面外变形行为,不论是在实验观测,还是在能量收集系统这种潜在的应用形式中,石墨烯的尺寸都需要达到微米级.先前的研究表明,传统分子动力学适用于纳米尺度石墨烯的计算与分析,由于其计算方法的限制,在处理微米级模型时容易出现计算效率低、耗时长等问题.为了研究微米级尺寸石墨烯膜镜面屈曲现象,本文使用粗粒化分子动力学方法,首先验证该方法的适用性,然后分别施加不同大小的机械载荷和温度载荷在扇形截面不同高跨比的石墨烯膜上以分析各因素带来的影响.计算结果表明机械载荷作用下各个高跨比石墨烯均可以发生镜面屈曲现象,且临界载荷随高跨比的增大而增大;温度载荷作用下,高跨比较小的石墨烯能够发生完全翻转现象,大高跨比情况下温度升高使中心高度下降,但完全翻转较难发生.研究分析各因素对于石墨烯镜面屈曲现象的影响,可以加深对这一特殊现象了解的同时,为能量收集系统的设计提供理论指导.

粗粒化动力学模拟在膜蛋白研究中的应用

近年来分子动力学模拟成为了研究膜蛋白的结构动力学性质的新方法,粗粒化动力学模拟克服了传统全原子动力学模拟遇到的困难,其通过适当的简化全原子模型,降低了模拟的计算量,减少了体系的自由度,提高了计算效率。可以用来研究更长时间跨度和更大体积的膜蛋白体系,更深层次地了解膜蛋白的相互作用过程。

磨粒磨损中微观切削过程分子动力学模拟

针对磨粒磨损中微观切削过程,研究了分子动力学模拟的基本原理、磨粒微观切削过程的分子动力学模拟模型和数值模拟算法。为研究摩擦表面上的微观动态行为与变化,认识磨粒磨损机理,提供了一种基于微观数值模拟的途径和方法。

分子动力学模拟研究两亲聚合物与疏水纳米粒子自组装核-壳结构

基于Martini力场采用粗粒化分子动力学模拟研究了Pluronic嵌段共聚合物在疏水纳米表面自组装膜结构,考察了Pluronic嵌段共聚合物结构对自组装单分子膜结构的影响。模拟结果发现Pluronic聚合物在疏水纳米表面自组装形成了以纳米材料为核,聚合物为壳的特殊核-壳结构。聚合物的浓度和结构都会影响该壳层结构,在浓度较低时,聚合物EO嵌段卷曲地附着在疏水纳米颗粒表面,类似形成层状的壳层结构;随着浓度的提高,EO嵌段伸向溶剂相,形成星形自组装膜结构。增加Pluronic共聚物相对分子质量,吸附在纳米材料的聚合物壳层厚度也逐渐增加。随着聚合物PO摩尔的增加,吸附在纳米材料表面的PO嵌段由"S"形或"W"形吸附逐渐变成"U"形吸附。这可能因为随着聚合物浓度的提高,有限的纳米颗粒表面不足以提供足够多的吸附位点导致聚合物吸附构型转变。

粗粒化模拟研究核糖体30S小亚基的组装动力学

核糖体是一种生物大分子复合物,它负责蛋白质的生物合成。在大肠杆菌(E.coli)中,完整的核糖体由30S小亚基和50S大亚基组成。大约半个世纪以来,30S小亚基一直是研究核糖体体外组装的关键模型系统,并提出了其组装图谱。然而,该RNA-蛋白质复合物动态组装过程中很多的结构细节仍然未知。本文按照30S小亚基组装图谱的顺序进行了一系列粗粒化模拟,以研究其组装过程中的构象动力学。我们发现,裸露的16S rRNA三级结构非常不稳定,即使与早期组装蛋白结合后仍然会出现类似情况。中期组装蛋白可以显著限制16S rRNA的柔性,并使后者接近于天然结构。晚期组装蛋白的最终结合使16S rRNA完全获得其功能运动。特别地,我们发现蛋白S9和S3对30S小亚基的组装可能比其他核糖体蛋白有更重要的贡献。如果已知组装图谱,我们的粗粒化模拟策略可以广泛应用于研究生物大分子复合物的组装动力学。

用杂化粒子场分子动力学模拟嵌段共聚物在本体中的自组装

用杂化粒子场分子动力学模拟方法模拟大体系(约56nm)长时间(100μs)的嵌段共聚物在本体中的自组装,以避免小体系的有限尺寸效应.通过调控嵌段共聚物中的嵌段数目、嵌段比例及嵌段间的相互作用参数,获得两嵌段共聚物和三嵌段共聚物在本体中的自组装结构.结果表明,模拟结果与自洽场理论、Monte-Carlo方法、耗散粒子动力学方法的模拟结果一致。

氩蒸气均匀核化率的分子动力学模拟

从分子动力学方法出发,对氩蒸气均匀核化过程进行了模拟,并分别采用经典均匀成核理论(CNT)预测、Cluster分析以及平均第一次出现时间(MFPT)3种方法进行了成核率计算.模拟结果表明,在相同条件下,Cluster分析法及MFPT方法得到的成核率在同一个数量级,而CNT预测的成核率比Cluster分析法及MFPT方法得到的成核率小3个数量级,其差异可由推导CNT成核率时对Cluster所做的平衡热力学假定进行解释.3者得到的临界Cluster分子数均为20左右.由Cluster分析方法可知,成核率随冷却脉冲强度增大而增大,这与实际均匀核化过程一致.