Materials Studio软件在傅里叶变换红外光谱可视化教学中的应用

傅里叶变换红外光谱技术是分析物质结构的一种重要的表征手段,其在大学《有机化学》《药物化学》等多门课程的教学中均有涉及。为了加深学生对分子不同振动形式与红外光谱图中对应吸收峰的理解,我们将计算模拟软件Materials studio引入到傅里叶变换红外光谱的可视化教学中,将理论知识、模型结构、电子特征与实际案例相结合,加深学生对于化合物的基团特征与红外特征峰位置与吸收强度之间关系的理解,提高了学生独立分析谱图的能力。

Materials Studio在金属有机框架材料中气体吸附的应用

综述了全尺度材料模拟软件(materials studio,MS)在MOFs中气体吸附方面的研究进展,重点介绍了MOFs中气体吸附模拟计算时MS软件各个模块的应用。对采用MS软件模拟计算MOFs中气体吸附性能提出了一些建议。

Materials Studio在固体物理课程分层教学中的应用

为了深化固体物理课程改革,适应学生发展和学习需求,我们对固体物理课程采用了分层教学模式,针对不同专业不同层次水平的学生进行不同模式的教学,因材施教。同时在固体物理课程教学过程中把Materials Studio软件引入课件制作、课堂演示和课下练习环节中,可视化图形,可操作性学习过程,增强了学生对物理模型的理解,激发了学生深入探索的学习兴趣。

Materials Studio软件在分子力学中的基础应用

该文对分子动力学模拟软件Materials Studio(MS)做了简要的介绍,阐述了MS在分子力学研究领域的基础应用,并诠释了对相关性质预算过程中的理论依据。以MS对非晶态高聚物玻璃态转变温度预测以及对分子扩散能力的计算依据来看,其已具备较完整的理论机构。未来MS在分子力学、材料科学等研究方面有其他软件不可取代的作用;同样MS也可用来构建化学分子结构模型,在课堂教学中使用。

Materials Studio软件在材料科学基础教学中的应用

为了解决材料科学基础中晶体学和键合理论教学中存在的知识抽象、不易讲解的问题,采用Materials Studio软件的Visualizer模块和Castep程序包结合相关问题分别建立晶体空间结构和计算晶体的差分电荷密度图辅助材料科学基础教学。结果表明通过Materials Studio软件建立的晶体空间结构和计算所得差分电荷密度图生动形象,能够帮助学生更深入地理解晶体学和键合理论的相关知识,达到良好的教学效果。为学生深入地学习材料科学基础打下坚实的基础。

Materials Studio软件辅助中学化学教学——以晶体结构为例

引入一种新的化学软件--Material Studio(MS),利用其晶体结构数据库和立体演示功能辅助晶体结构教学,并设计了典型化合物晶胞结构以及金属晶体晶胞堆积的演示实例和教学过程。MS软件的晶体结构演示功能简单易学,能帮助学生更好地掌握晶体结构知识点,实现个性化教学和学生自主学习,提高课堂教学效率。

Ag+改性NaY分子筛的制备及其吸附脱氮性能研究

采用Ag+改性NaY分子筛成功制备了AgY分子筛,利用XRD射线衍射、FT-IR、N2吸附-脱附对NaY和AgY分子筛进行了表征,并用于吸附脱除模拟燃料中吡啶、苯胺、喹啉碱性氮化物,AgY分子筛的吸附能力明显优于NaY分子筛。考察了吸附温度、吸附时间对AgY分子筛吸附三种氮化物的影响,实验结果表明,吸附能力均为:苯胺>喹啉>吡啶,为了进一步研究其吸附机理,采用Materials Studio软件建立了AgY分子筛12T团簇模型并在303、323、343 K下模拟三种氮化物分子在AgY分子筛上的吸附,计算了吸附能、活性中心与吡啶、苯胺、喹啉分子的距离、前线轨道、等密度分布、径向分布函数等相关参数,计算结果也表明,AgY分子筛对苯胺的吸附优于喹啉,优于吡啶,与实验结果一致,且吸附以化学吸附为主,AgY分子筛S位和W位为主要吸附位。吸附等温线研究结果表明,AgY分子筛对吡啶的吸附符合Langmuir-Freundlich混合吸附模型,对苯胺、喹啉的吸附符合Freundlich吸附模型。吸附动力学和吸附热力学结果表明,AgY分子筛对吡啶的吸附符合准二级动力学模型,对苯胺、喹啉的吸附符合准一级动力学模型,吸附是自发的熵增过程。

TiO_(2)光催化强化[HO_(2)MMim][HSO_(4)]-H_(2)O_(2)脱除煤中有机硫的研究

燃煤中的硫严重影响了煤炭的高效利用,将光催化氧化引入到萃取脱硫体系,可以显著地提高离子液体萃取脱硫效率.为了进一步研究脱硫机理,采用实验结合计算机仿真模拟对其进行了分析.实验结果表明将光催化反应过程与离子液体萃取过程耦合,可有效脱除煤中的有机硫,[HO_(2)MMim][HSO_(4)]−H_(2)O−H_(2)O_(2)−TiO_(2)(质量比5∶5∶10∶4)光催化处理后的煤的有机硫脱硫率最高可达12.40%.Materials Studio分析得出由光催化产生的羟基自由基(·OH)具有较强的氧化性,·OH的氧原子附近所在区域呈负电性,容易与噻吩中S原子的正电势点产生静电力并形成S=O双键;另外,离子液体的加入使得原本噻吩环上的最低空轨道消失,还降低了最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)的能级差,使反应更容易进行.使用COSMO软件分析发现离子液萃取作用体现在[HO_(2)MMim][HSO_(4)]中咪唑的五元杂环结构通过范德华力与噻吩、砜分子之间成键,使硫化物不断被萃取到离子液体相中;外加氧化剂使反应中化学势较高的砜比噻吩更容易进入到化学势低的离子液[HO_(2)MMim][HSO_(4)]中.

基于分子动力学模拟的天然气水合物空蚀作用规律

固态流化法开采天然气水合物(以下简称水合物)过程中,空化射流对水合物软质泥沙具有很强的破坏作用,然而,目前针对水合物的空蚀作用规律尚不明晰。为此,基于Ⅰ型水合物的晶体架构建立了水合物空蚀破坏模型,采用分子动力学模拟软件Materials Studio建立不同微观赋存环境下的水合物模型,分析了空泡近壁溃灭形成的空蚀微环境对水合物分解的作用规律,并将其与常规降压开采法下的水合物分解过程进行对比,进而研究了不同空蚀微环境和微观赋存环境对水合物分解的影响。研究结果表明:①空蚀微环境能够有效加快水合物的分解,模拟条件下分解速率可达常规降压开采法的22.5倍;②空蚀微环境温度的升高对水合物空蚀分解起正向促进作用,作用效果较压力更为显著;③空蚀微环境在低温高压情况时会抑制水合物的分解,特定温度下存在分解速率最快的冲击压力值;④不同微观赋存环境下水合物的分解特征不同,水环境下的水合物分解效果优于甲烷气体环境,但空蚀作用能降低该影响。结论认为:基于分子动力学的水合物空蚀作用研究成果,能够为空化效应在开发水合物过程中的应用提供理论支撑和技术支持。

不同温度压力下煤对CO_(2)吸附扩散规律研究

针对煤炭开采深度增加,瓦斯开采难度大的问题,应用模拟软件Materials Studio,微观模拟了不同温度和压力下CO_(2)分子的吸附、扩散规律;基于分子动力学的方法模拟得到了CO_(2)均方位移与时间的关系。结果表明:在15、25、30、35℃的等温吸附曲线中,CO_(2)吸附量随温度的升高而逐渐降低,说明在低温状态下有利于CO_(2)地质封存;CO_(2)在煤中的自扩散系数、校正扩散系数和传递扩散系数的值均随着温度、压力的升高而增大,且在35℃,3.5 MPa时达到最大值。

蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究

稠油乳化现象会严重影响蒸汽吞吐的开采效果,明确原油乳化机理、优选有效破乳体系,是实现稠油油藏蒸汽吞吐高效开发的基础。通过室内实验研究了油藏含水率、原油组分等因素对原油乳化的影响,利用Materials Studio分子模拟技术研究原油乳化机理。研究结果表明,产出液中油水乳状液稳定性好、黏度高,极易滞留在近井地带,从而影响油藏的开发效果。优选出的苯环类耐高温破乳剂可以有效改善油水乳状液的界面张力,剥离油水乳化界面层,最终实现破乳降黏。

地聚合物凝胶体系中N-A-S-H和C-A-S-H结构的分子模拟

钙元素对地聚合物凝胶结构的形成影响显著,根据含钙量的不同可分为高钙体系(C-A-S-H)和无钙体系(N-A-S-H).基于Materials Studio软件,用Amorphous Cell(AC)模块构建了N-A-S-H和C-A-S-H凝胶结构模型.在Universal力场下,对2个凝胶结构模型的稳定性、动力学轨迹、微观表征及弹性模量进行了分子动力学模拟.结果表明,构建的N-A-S-H和C-A-S-H凝胶结构模拟值与试验值吻合较好.由于钙元素的存在,无定形态体系出现了向晶体转变的特征,并对地聚合物的力学性能产生正向增益.

分子模拟技术在壳聚糖功能材料开发和应用中的研究进展

壳聚糖因其优良的生物相容性、可再生性、生物降解性以及絮凝、吸附性而被广泛应用于医药、能源、环保等领域。随着统计力学和计算机科学的快速发展,应用分子模拟研究壳聚糖材料的开发和应用已成为热点。本文综述了近年来分子模拟技术在该领域的研究进展,归纳了分子模拟的基本方法及特点,详述了以量子化学为基础的分子模拟软件Materials Studio在壳聚糖研究中的常用模块以及应用。在此基础上,介绍了利用分子模拟对壳聚糖分子结构、微观反应机理、相容性的分析与预测,以及壳聚糖在生物医用材料、燃料电池、缓蚀剂、水处理应用领域的分子模拟研究进展,总结分析了分子模拟方法在壳聚糖功能材料开发和应用中的优势以及在微观机理探索方面的不足,提出了采用多尺度模拟、与机器学习相结合等提高模拟结果准确性和计算速度的研究方法,为未来设计开发新型壳聚糖材料提供新的思路。

计算模拟软件在“有机化学”教学中探索性能力的培养

近年来,计算模拟是比较热门的研究领域,将计算模拟软件应用到课堂教学中也取得了一定的教学成果.本课题主要研究思路如下首先在“有机化学”课堂上引进新型的计算模拟软件Material Studio(MS),教师讲解有机化学知识点、MS软件的原理、使用方法及使用MS软件解决科学问题等,然后学生采用MS软件分组探索及教师辅助的方法解决在“有机化学”学习中遇到的疑难问题及其他科研问题.将计算模拟软件应用到教师的“教”及学生的“学”之中,不仅有助于学生理解复杂的结构与机理,更重要的是,学生的探索性能力也得到了有效的提升.

基于MS分子模拟的表面化学实验教学项目设计与探讨

为了帮助学生构建、观察分子结构,从原子尺度分析表面/界面发生的现象,设计了基于Materials Studio(MS)分子模拟软件的实验教学项目。以氧气在贵金属Pt(111)表面发生的4步还原反应为例,较详细地介绍了使用MS软件建模、模拟分子动力学过程以及进行结果分析的完整实验流程。该类型实验教学项目能够帮助学生深入了解表面化学反应中的分子动力学过程,使他们从分子或原子尺度理解化学反应的本质,拓展表面化学认知领域,提高学习兴趣和学习效率。

纳米铝粉包覆材料选择的分子动力学模拟

为了有效选取纳米铝粉包覆材料,减少实验筛选周期,解决纳米铝粉极易氧化问题,采用分子动力学模拟方法对聚多巴胺、聚偏氟乙烯、端羟基聚丁二烯、聚四氟乙烯和硬脂酸5种包覆材料的包覆特性进行了研究。计算结果显示这5种包覆剂的结合能分别为818.49、121.52、173.79、102.31及39.35 kcal/mol,说明聚多巴胺具有最大的结合能,即相比其他材料在吸附稳定性上有绝对优势,可以作为包覆纳米铝粉的一种连结剂。研究结果还表明以包覆结合能为评价指标,采用分子动力学模拟方法对包覆剂进行优选,能够减少实验周期和成本,具有较好的可行性。

基于密度泛函理论的模拟电化学实验教学探索

密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)给出一种研究多电子体系电子结构的方法,是物理、化学、材料等多个领域的强有力工具,可以很好地解释电化学科学中的众多理论问题,然而其在本科实验教学中仍处于探索阶段。为帮助本科生全面而又深入地理解电化学相关知识,借助于Materials Studio(MS)分子模拟软件,探讨了基于DFT模拟的电化学实验项目及类型,并给出了可操作性理由和大致的实验流程。以电化学实验中具有代表性的析氢反应为例,重点阐述基于DFT的电化学实验教学流程。实践表明,该系列实验提高了学生对电化学课程的兴趣,增强了学生对科学研究的自主性和积极性,增加了电化学实验教学内容的丰富性。

活用化学软件辅助教学 构建高中化学高效课堂

高中化学作为一门重要课程,在高考中具有重要地位。高中化学中很多教学重点具有比较抽象、难理解的特点,这一问题困扰着很多高中化学教师。借助化学软件辅助教学,可以大大提高课堂教学质量,提升学生的动手能力、思维能力等,同时使教师的信息化教学水平得到很大提高。

分子模拟技术在油田助剂领域的应用研究

随着现代化数字技术的飞速发展,材料分子模拟技术在油田助剂领域得到了广泛的应用。本文通过介绍Materials Studio分子模拟软件在驱油、缓蚀、破乳、阻垢4种主要油田助剂开发过程中的应用,探讨了材料分子模拟技术在油田助剂领域的应用与研究进展情况。

轻稀土离子水合物Re^(3+)(H_(2)O)_(n)(n=1~12,Re=La、Ce、Pr、Nd)的DFT研究

采用Material studio的DMol3模块研究了La^(3+)、Ce^(3+)、Pr^(3+)、Nd^(3+)四种离子的水合物Re^(3+)(H_(2)O)_(n)(n=1~12),分析了几何优化后的构型的几何结构、结合能、前线轨道、电荷、振动情况。结果表明:La^(3+)、Ce^(3+)、Pr^(3+)、Nd^(3+)四种轻稀土离子第一水化层的最小水合数分别为4、6、7、7;在相同水合数条件下,Re—O的平均键长大小顺序为La>Ce>Pr>Nd,Re^(3+)(H_(2)O)_(10)的Re—O平均键长约为2.6Å,轻稀土离子水合物的水化层半径约为3.22~3.59Å。轻稀土离子的水化反应为放热反应,当水分子配位数相同时,结合能大小顺序为La>Ce>Pr>Nd。电荷分析结果显示,水合反应过程中稀土离子得到电子,当第一水化层填满后,Re^(3+)(H_(2)O)_(n)性质逐渐趋于稳定,Re离子的电荷量在2e左右。前线轨道分析结果显示,不同于离子半径的变化,四种稀土离子自身的硬度大小顺序为La>Nd>P>Ce。模拟的La^(3+)(H_(2)O)_(n)的红外光谱显示,随着水分子数量的增加,V_(sym)和V_(asym)峰发生蓝移;当n大于10时,V_(sym)和V_(asym)峰不再发生蓝移,说明第一水化层外的水分子没有与La离子发生反应。