分子动力学模拟的柔性对接

分子自动对接技术在过去二十年里取得很大发展和成功,但是仍然面对如何处理分子柔性这样一个难题。这篇综述概要介绍分子柔性对接技术的进展并重点介绍分子动力学模拟技术。     

硅的平衡态分子动力学模拟

平衡态分子动力学模拟是研究既定系统向所期望的平衡态演化的一种方法,不仅可预测平衡态的各种性质,还为动力学加载过程提供合理的初始条件.本文主要研究Free、NVT、NVE平衡态分子动力学模拟中系统宏观量的演化过程;并讨论如何根据不同的初始条件,选择恰当的平衡态模拟方法.     

单晶硅纳米梁的分子动力学模拟

采用经典的分子动力学方法,分析了两端固支的纳米梁的力学行为特征.在初始应变下,梁的表面原子发生了重构,而初始应变能仅是重构能的1%,随着分子动力学迭代的开始,初始应变能逐渐转化为梁中原子的热运动动能和梁的谐振能量.从其能量的变化曲线得到,梁的谐振频率为2.32×1010Hz.与连续介质近似结果对比发现,该谐振频率对应的杨氏模量为101 GPa,小于体硅的131 GPa,说明在该尺度下杨氏模量小于体材料.另外,分子动力学结果显示,发热是纳米梁耗散机制的重要方式,即谐振能量转化为梁中原子的热运动动能.     

不同温度下水的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法对不同温度下水的氢键结构及扩散性质进行了研究。模拟发现随温度的升高,水分子平均氢键配位数减小,氢键键角分布变宽,键角分布峰值减小,即水分子间氢键作用不断减弱。扩散系数随温度的增加而上升,液体水的扩散系数与温度之间的关系符合Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ行为。     

H-POSS表面润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了水滴在多面体低聚倍半硅氧烷(H-POSS)固体表面的润湿性能,H-POSS分子和水分子分别采用COMPASS力场和SPC力场模型。模拟得到H-POSS基体密度为1.84g/cm~3,且X射线衍射模拟发现基体具有明显衍射峰,表现出晶体特性,说明COMPASS力场适用于H-POSS基体的构建与研究。H-POSS表面水接触角的模拟值为104.9°,具有疏水性能。通过直接水解法由三氯硅烷(HSiCl_3)实验合成出H-POSS样品,傅立叶红外表征(FT-IR)发现,在2260、1142和871cm~(-1)波数位置出现吸收峰,证实了所合成的样品为H-POSS。其表面水接触角的实验值为109.3°,与模拟值的相对误差仅为4%,说明分子动力学方法可应用于计算H-POSS材料表面润湿性。模拟结果还表明体系温度影响H-POSS材料的表面润湿性,增大体系温度,表面疏水性能降低。     

纳米水流控制器的分子动力学模拟

纳米水流控制器可用于调整生物膜两侧的渗透压,同时在生物大分子以及纳米颗粒的输送方面也有着重要的应用价值。本文中所提出的纳米控制器由石墨烯和两节不同直径的单壁碳纳米管(SWCNT)形成的组合结构,并将由不同管径组合成的碳纳米管作为生物大分子以及纳米颗粒的通道。通过改变非均匀电场的场强实现对纳米尺度下受限空间水流的控制,利用水流的水分子偶极方向的变化驱动碳纳米管内的输送颗粒。本文通过构造垂直于碳纳米管轴径方向的非均匀电场作用于纳米水流控制器,并利用分子动力学模拟的方法对不同斜率梯度电场下的纳米水流控制器进行研究分析。     

硅纳米杆拉伸的分子动力学模拟

采用Stillinger-Weber(SW)势函数描述硅纳米杆中硅原子间的相互作用,通过分子动力学方法对几种硅纳米杆进行轴向拉伸研究,发现硅纳米杆拉伸时表现出来的特性与宏观脆性材料基本一致:拉伸曲线没有明显的直线部分和屈服变形部分;进一步研究发现硅纳米杆的杨氏模量和强度极限随着尺寸增大而增大,尺寸效应随尺寸增大而逐渐减弱.     

分子动力学模拟的优化与并行研究

分析讨论了分子动力学模拟的算法特征和计算特点,对串行程序作了优化,并使之适合于作并行化。对模拟体系使用区域分解的方法,在计算节点间保留了部分重叠区域,采用基于消息传递的MPI设计平台,在可扩展机群上实现了并行化,获得了90%以上的并行效率。     

水在环氧树脂中扩散的分子动力学模拟

用分子动力学方法(MD)模拟水分子在TGDDM/DDS交联环氧树脂中的扩散,分析了温度和含水量对水在环氧聚合物中扩散系数的影响。基于Einstein公式,通过均方位移曲线计算的扩散系数表明,温度越高,水分子扩散系数越大,与文献中所给出的实验值相吻合:在含4个不同水浓度的环氧体系中,得到的水分子氧原子间的径向分布函数表明,含水量越高,存在于系统中的水越易以水分子簇形式存在。从微观上证实了模拟结果-扩散系数随水浓度的升高而增加,此结论也通过实验得到了证实。     

分子动力学模拟中负载平衡方法的应用

文章针对三维分子动力学并行数值模拟中出现的负载不平衡现象,在静态负载平衡基础上,提出了一种简单有效的动态负载平衡算法。通过对三维分子动力学的并行数值模拟试验,此算法可以使得负载基本达到动态平衡,并进一步提高了并行效率。     

二氧化硅表面稠密的二氧化碳分子动力学模拟

采用分子动力学的方法研究二氧化硅表面二氧化碳的结构和扩散性质。二氧化碳在二氧化硅固体表面形成高密度层;而在远离固体表面处,流体的密度分布类似于宏观二氧化碳,取向分布比较随机。受固体表面的影响,二氧化碳的C-C径向分布函数第一峰的高度比宏观二氧化碳高。二氧化碳的密度分布和自由能分布有一明显的"镜面对称"的结构,高密度区域对应自由能的深阱。二氧化硅中的二氧化碳的自扩散行为是各向异性的,z方向的扩散由于固体面的作用明显受阻。由取向相关函数积分得到的二氧化硅表面流体的取向相关时间比宏观流体大的多,二氧化碳分子在固体表面再定位比较缓慢。     

基于FPGA的分子动力学模拟交互控制系统

在分子动力学模拟系统中,实现分子间短程力的计算需要频繁地传输与大量的粒子数据访问。为了减轻CPU的计算负载,可以使用FPGA加速计算。但是,在基于FPGA的分子动力学模拟系统中,短程力计算模块面临巨大的数据传输压力以及访存冲突问题。针对这些问题,基于FPGA上有限的硬件资源,提出一种交互控制系统。该系统由取数控制模块与粒子数据解析模块组成。整个系统通过合理的数据编排以及2个模块的协同工作,实现粒子数据从片上存储到短程力计算模块的快速可靠的传输。通过硬件仿真和板级实验验证了该系统在处理粒子数据过程中的有效性和可靠性。     

纳米铝熔化过程的分子动力学模拟

运用Compass力场的分子动力学方法,研究了含氧化层的纳米铝球颗粒熔点的变化规律。通过对铝球升温,探索了铝球粒径及氧化层厚度对其熔点的影响,以及含氧化层纳米铝球颗粒的熔化过程。铝粉粒径很小时,其表面形成的氧化层较薄,热膨胀作用使氧化层逐渐破裂。当粒径较大及氧化层较厚时,若温度升至氧化层熔点,由于铝球内核压力的协同作用导致氧化层突然破裂,铝原子与空气接触发生爆燃。结果表明:同一粒径的纳米铝粉,氧化层厚度越厚,氧化层熔化时爆裂现象越严重。     

分子动力学模拟预测乳糖水溶液的玻璃化转变温度

在恒温恒压(NPT)系综条件下,对10%乳糖溶液的玻璃化转变温度进行了分子动力学模拟。在(200~300)K温度范围内,经分子动力学模拟获得乳糖溶液模拟体系在不同温度下的比体积、热焓和能量等参数,并通过对模拟得到的各参数-温度作图获得了乳糖溶液的玻璃化转变温度。研究结果表明,乳糖溶液的比体积、热焓、内能、总势能随温度有规律的变化并在Tg处出现拐点。模拟计算得到的乳糖溶液的Tg为(244.56~247.13)K,与实验检测值吻合较好,表明分子模拟方法可以应用于乳糖溶液体系结构与性质的研究中。其中,乳糖溶液的比体积随着温度的升高先减小后增大,在玻璃化转变温度附近出现最小值,与理论相符,可用于预测糖溶液的玻璃化转变温度。     

单晶金属AFM切削过程的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法模拟了基于AFM针尖的不同结构(FCC,BCC)的单晶金属(铝,铁,铜,镍)的纳米切削过程,研究了单晶金属延展性能对切削过程工件材料变形的影响。使用Morse势计算工件原子之间,工件原子和刀具原子之间的相互作用。观察和分析了切削过程中切屑形成,工件变形区域,以及系统势能变化。模拟结果显示单晶金属延展性能对基于AFM的纳米切削过程有显著影响。     

氮化铝陶瓷薄膜热导率的分子动力学模拟

采用平衡分子动力学方法(EMD)研究了平衡温度为300K的氮化铝薄膜的法向热导率.利用Stillinger-Weber势函数以及Green-Kubo线性响应理论计算热导率.计算结果表明,氮化铝薄膜的热导率值显著小于对应大体积材料的实验值,具有明显的尺寸效应.在氮化铝薄膜为1.47～5.39 nm的范围内,氮化铝薄膜的热导率随着薄膜厚度的增加而近似的线性增加.     

水溶液中颗粒输送器的分子动力学模拟

由于许多实际纳米颗粒的电荷和极性十分微弱甚至可以忽略不计,这阻碍了电场产生直接驱动纳米颗粒。基于在梯度电场诱导下的纳米颗粒可自发从电场强度高的位置迅速移动到电场强度低的位置这一原理,本课题使用不同斜率的垂直梯度电场驱动控制水溶液中纳米颗粒,实现纳米颗粒定向运动。根据分子动力学模拟结果得出当梯度电场斜率合适并且颗粒的大小与输送颗粒管道直径相匹配时,纳米颗粒可以达到较好的输送效果。该结果对于水溶液中分子马达、分子水泵、分子筛以及分子开关的设计有着重要的参考价值。     

受限于MER型沸石中水的分子动力学模拟

针对受限于MER型沸石中水的结构性质和扩散性质进行分子动力学模拟,为MER型沸石的制备及离子交换提供了理论依据。结果表明:H_(2)O在不同阳离子的MER型沸石中具有不同的结构性质。K~+与H_(2)O形成的水合阳离子在MER型沸石合成中起到了模板剂的作用。随着温度的升高,MER型沸石中H_(2)O的有序度下降,沸石骨架外阳离子的水合能力下降;H_(2)O在MER型沸石中的非键势能逐渐增大,H_(2)O的扩散系数均相应增大。H_(2)O在不同阳离子的MER型沸石中的扩散活化能大小顺序为:K-MER型沸石Na-MER型沸石NH_4-MER型沸石。MER型沸石骨架及骨架外的阳离子对H_(2)O的扩散性质有较大的影响。     

烷基芳基磺酸盐界面性质的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了阴离子表面活性剂在水/辛烷,水/甲苯,水/辛烷、甲苯混合油相时的动力学特点,结果很好地展示了体系静止时清楚的油水界面,并与无表面活性剂的油水界面进行了比较.利用密度剖面图可说明表面活性剂对不同油相的诱导作用.同时,模拟计算出烷基芳基磺酸盐表面活性剂在油水界面的界面张力、均方根偏差、接触面积等,由计算结果可知,油相为甲苯时能很好的降低其界面张力,油相为辛烷时更易于形成清楚的油水界面且界面强度较大.     

氯化钾溶液中离子水化的分子动力学模拟

使用Material Studio软件包中的COMPASS力场,采用分子动力学模拟的方法研究了温度为298.15 K时,浓度分别为1.065 mol/L、2.140 mol/L、3.129 mol/L的氯化钾溶液中离子水化的微观结构和动力学性质.发现浓度对离子近程水化的结构有一定的影响,随着溶液浓度的增加O-O径向分布...