烷烃在分子筛孔中吸附和扩散的分子模拟

用巨正则系综蒙特卡罗(grand canonical monte carlo,GCMC)和构型偏倚蒙特卡罗(configurational-bias monte carlo,CB- MC)相结合的模拟方法,研究300 K下,烷烃(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷)在ISV、MEL型分子筛上的吸附,饱和吸附量的大小顺序为:甲烷>乙烷>丙烷>丁烷。模拟甲烷-乙烷、乙烷-丙烷混合物在分子筛(ISV、MOR、MEL型)中的吸附分离,结果甲烷-丙烷比乙烷-丙烷混合物更易分离。采用分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟方法,研究甲烷在MEL、MOR分子筛上的扩散系数,分别为2.76-3.86 m~2·s~(-1)、3.14-13.30 m~2·s~(-1),烷烃在分子筛中的扩散与吸附相关,且扩散系数的大小与分子筛的结构有关。模拟所得的有关吸附扩散性质的数据对于化工生产、研发和设计具有指导意义。     

中国微米纳米----石墨烯纳米带谐振频率的分子动力学模拟

石墨烯因其独特的结构和特性,具有广泛的应用前景.采用分子动力学的方法模拟石墨烯被硅探针压变形后弯曲振动的动力学过程,探讨了石墨烯纳米带的尺寸和温度对石墨烯纳米带谐振特性的影响.模拟结果表明,石墨烯纳米带的谐振频率随着石墨烯纳米带的长度、宽度、层数(厚度)以及温度变化.其中宽度、厚度和温度对石墨烯纳米带谐振频率的影响较小,影响石墨烯纳米带谐振频率的主要因素是长度.     

纳米薄膜面向导热系数的分子动力学模拟

基于分子动力学研究纳米薄膜的导热系数现状,建立了一种导热模型.采用非平衡态分子动力学研究了纳米薄膜长度、厚度、空穴对导热系数的影响.选取结构简单、可靠实验数据和势能函数的晶体氩为模型,计算了氩晶体薄膜面向导热系数.模拟结果表明:纳米薄膜面向导热系数随薄膜长度和厚度增加而增加,增加到一定尺寸时,不再增加,近似相等,具有显著的尺寸效应.相同条件下,存在空穴的氩晶体纳米薄膜导热系数低于理想氩晶体纳米薄膜的导热系数.     

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.     

纳米管道中电渗流的分子动力学仿真

采用分子动力学模拟方法,研究了不同表面电荷密度下圆柱形纳米管道中溶液粒子分布情况及电渗流特性.采用更为接近工程实际的纳米管道模型,在管道中段离散分布一定数目的单位元电荷,平衡后,再取出该段在两端加上电场进行电渗流驱动过程模拟.仿真结果表明,表面电荷密度越大,电荷倒置现象越明显,电荷倒置现象对电渗流有直接影响;其次,仿真结果也表明基于连续体理论的Poisson-Boltzman方程已不能准确地描述纳米管道中的离子分布情况,尤其是在靠近管壁附近,该方程得到的离子浓度与模拟结果差异较大;基于Navier-Stokes方程的流体动力学理论,对其边界条件作适当改变后,在管中心区域其预测结果可以与模拟结果吻合得较好;而在靠近管壁的区域由于溶液粘度发生变化,连续理论的预测与模拟结果存在明显差异.     

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。     

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。     

分子动力学模拟温度变化对I型甲烷水合物稳定性的影响

在单晶胞体系下,采用分子动力学的方法,利用搭建的势能模型,模拟了温度的变化对Ⅰ型甲烷水合物晶体稳定型的影响。通过分析不同温度下水合物晶体的径向分布函数、势能函数以及压力函数图像,得出了在水合物形成及分解过程中,温度越低,水合物势能越小、压力的波动性越小,晶体结构的稳定性也就会越好。该结论为以后水合物的形成和分解过程的研究提供了重要的参考依据。     

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。     

分子动力学模拟聚乙烯在碳纳米管表面的扩散

通过采用分子动力学方法模拟不同链长的聚乙烯分子在单壁碳纳米管表面的扩散,探究了聚乙烯的动力学性质。研究表明随着链长的增加聚乙烯在碳纳米管表面的扩散系数减小,且二者间存在明显的标度关系。聚乙烯在碳纳米管表面扩散的扩散系数和聚乙烯吸附在碳纳米管表面的构象有关,有序结构的聚乙烯比无序结构的聚乙烯在碳纳米管表面扩散的快。此外,由于受到碳纳米管吸附作用的影响,聚乙烯分子在平行于管轴和垂直于管轴2个方向上的扩散系数不同,扩散表现各向异性。     

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。     

从常温到超临界条件下水的分子动力学模拟

采用MD模拟方法研究了从常温到超临界条件下不同状态水的微观结构、氢键结构及氢键松弛的动态性质。模拟结果表明,随着温度的升高,成键分子中O…O间的平均距离基本保持不变,O…H间距离增加,水分子的氢键作用逐渐减弱,形成氢键的两水分子O…O一H取向角的分布呈线型分布的概率降低;同一温度下密度的变化对O-O、O-H径向分布函数和氢键的键角分布的影响不大。由于温度升高使氢原子热运动增强,水的四面体结构缺陷增加,氢键的平均寿命显著缩短,温度是影响氢键平均寿命的主要因素。     

受限于平行硅板中水的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同间距(16.6,13.6,和11.8 A)两硅平板之间水分子的结构性质,模拟结果显示:受限水呈现出与体态水完全不同的结构性质,即水分子的分布依赖于两板间距.间距为16.6 A时,硅壁的吸引力造成了其附近形成两个明显的水层,其中的水分子的O-H平行于壁面形成氢键.随着间距的减小,第二层水分子中的O-H键由平行于壁面转向垂直于壁面,与临近的水层通过氢键相连.此外,模拟结果表明,在不同上下板间距情况下,被壁面吸引所形成的水层中水分子的结构取向基本没有变化.     

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。     

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。     

多核并行技术在分子动力学模拟中的应用

为了充分利用多核处理器资源,研究了一种用于分子动力学模拟中的多核并行技术。在多核处理器上利用OpenMP技术实现多线程创建与同步、动态设置子线程的调度运行方式以及负载均衡以减少子线程执行等待时间。通过对不同分子体系结构下的动力学模型测试,得出在不同子线程下并行计算的时间,并且得到了良好的性能加速比。实验结果表明,采用OpenMP并行技术可有效地提高电荷求解过程在分子动力学模拟运算中的时间效率,以及多核计算机资源的利用率。     

分子动力学模拟HEWL晶体在不同环境中的动力学行为

简要阐述分子动力学模拟的原理及步骤,介绍研究溶菌酶的一般方法和优缺点。在Ubuntu操作系统环境下,利用Gromacs软件和其自带的Gromos96力场,通过分子动力学模拟(MD)鸡蛋清溶菌酶晶体(chicken egg-whitelysozyme,HEWL)溶液,考察真空、水溶液和加入NaCl 3种不同环境条件对溶菌酶晶体构象动力学行为的影响,发现无论从均方根位移(rmsd)、回旋半径、还是从B因子值的轨迹图分析,HEWL在水溶液特别是加入抗衡离子(Na~+,Cl~-)的水溶液的环境下的结构更稳定、合理,与(protein data bank)数据库的真实情况相符。原因是Cl~-与溶菌酶晶体在界面处发生了吸附现象,局部形成溶菌酶-Cl~-复合物,抑制了蛋白-水合物中水分子在相邻水合位置间的跳跃,从而使单晶体在离子液态中更加稳定。模拟结果表明,在pH值6.5,等电位点13.1,总电荷7.999 6的体系下,影响HEWL的吸附位点为123号残基(色氨酸),对从分子水平上解释HEWL晶体的动力学吸附行为具有重要指导意义。