I型甲烷水合物晶体稳定性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法，模拟了晶穴占有率和温度变化对I型甲烷水合物晶体稳定性的影响。通过考察晶体破坏过程中最终构象、均方位移、扩散系数、径向分布函数等分子的动力学和结构性质的变化，分析了分子动力学模拟中晶体结构失稳的微观特征，并提出了判断甲烷水合物晶体结构失稳的依据，这对水合物形成和分解过程的研究具有重要的参考价值。     

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。     

基于温度对H型水合物稳定性影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟平台(ME),计算了H型水合物的性质及结构参数,并通过分析水合物晶体的最终构像、径向分布函数、均方位移、扩散系数、模拟体系势能等微观特征参数,考察了温度对H型水合物晶体结构稳定性的影响。模拟结果表明,随温度的升高,H型水合物的稳定性降低,笼型结构有分解之趋势。     

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。     

基于CT的含水合物沉积物电阻率测量系统设计与开发

为满足从微观尺度研究沉积物孔隙中水合物分布对电阻率响应特性影响的需求,设计开发了基于CT的含水合物沉积物电阻率测量系统,包括天然气水合物实验模拟部分、电阻率测量部分和CT扫描部分,实现了水合物原位生成过程中电阻率和CT扫描图像的同时监测。通过开展甲烷水合物生成实验,验证了系统的可用性。实验结果表明：（1）电阻率随通过CT图像计算的水合物饱和度呈指数规律上升;（2）水合物饱和度为17.13%~30.72%时,阿尔奇公式中饱和度指数在1.57至2.48之间。所开发的测量系统为进一步开展不同环境条件下水合物生成分解实验提供了技术保障,为研究水合物微观分布对电阻率的影响以及优化水合物饱和度计算模型提供了数据支撑。     

多孔介质中天然气水合物二维模拟实验装置

本文介绍了一种天然气水合物模拟实验装置,该装置能模拟多孔介质中天然气水合物的生成和分解过程.能够通过测量平板内探针的电容判断水合物的状态变化.实践证明,该装置工作稳定可靠,性能符合实验要求.     

高压可视化天然气水合物实验装置的研究

对高压可视化天然气水合物实验装置进行了研究.实验装置以现有天然气水合物开采方法结合水合物法海水淡化技术为研究背景,模拟海洋环境;利用水合物技术原位制备热盐水,开采海洋天然气水合物;采用可视化技术,可观察到水合物晶体状态.实际应用表明,该装置达到了设计效果,同时还可以应用到海水淡化等领域.     

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.     

论分子在受限碳纳米管中的模拟研究

21世纪得益于计算机技术的快速发展,分子动力学模拟技术也得到了很大的进步。相对于实验,分子动力学模拟的优越性不可替代。分子动力学模拟能够为实验提供更加准确的理论依据,有助于避免在实验过程中可能会遇到的各种无效操作,能够使实验更加有效。对于一些假设,尽管其提出有充分的理论依据,但在实验过程中依然不可避免的会遇到各种困难,而利用MD模拟的方法去验证这些假设则相对容易的多。该文主要通过对现阶段受限碳纳米管中分子动力学模拟的研究,从理论上分析了受限碳纳米管的性质和模拟方向,归纳总结了受限碳纳米管的一些性质和应用,进一步为以后的研究做准备。     

分子动力学模拟蛋白质溶液吸附过程构象的变化

计算机模拟作为一种工具在药物分子设计、蛋白质工程、药物筛选等方面逐渐广泛应用起来。为了从分子水平上理解蛋白质吸附的机理，本文采用了刚体模型对聚十赖氨酸在固体表面吸附进行了分子动力学模拟。采用立方周期性边界条件，模拟在NVT条件下进行，各刚体的起始速度按Maxwell取样。初步研究了模拟过程中蛋白质构象的变化，跟踪了吸附过程中二面角φ和ψ的变化。研究结果表明，吸附过程中蛋白质二级结构发生了变化，C末端二级结构的变化最为明显。     

火冰:世界新能源?

甲烷水合物是压力足够高或温度足够低时甲烷气和纯水的一种晶体形式.如果设法保持这样的高压或这样的低温,它看上去就像一块冰.全世界的洋底和北极永冻层中有数百万吨这种物质,而且它是世界上最清洁、最丰富的能源,其储量至少是化石燃料的2倍,也有人说是10倍.而且作为燃料燃烧时,它释放出较少的CO2.     

分子动力学模拟蛋白质吸附过程中势能函数计算的分组简化

分子水平上理解蛋白质吸附的机理,是目前蛋白质工程、生物材料和生物医学领域中一个基本问题。本文根据蛋白质分子结构的特点,采用刚体模型,在NVT条件下,对聚十赖氨酸分子在固液界面上的吸附过程进行了分子动力学模拟。在计算过程中,通过对原胞内原子进行适当分组的方法改进,以求进一步提高对势能函数的计算速度。研究结果表明,适当分组的方法可以简化分子动力学模拟的计算过程,加快计算速度,而模拟结果反映了吸附过程中蛋白质分子构象变化过程。     

环糊精常温液态水化过程的受控分子动力学(SMD)模拟研究

受控分子动力学（Steered Molecular Dynamics,SMD）是一种新型的分子动力学方法。本文用SMD模拟方法研究了α-,β-和γ-环糊精在常温下从真空穿过气液界面进入水溶液的动态水化过程。模拟发现,在垂直于水溶液气液界面方向的微小外力作用下,三种环糊精在水溶液气液界面上沿着垂直于分界面方向都呈现出窄口端取向。结合环糊精的结构特点,对动态水化过程中各种氢键作用变化的分析表明：这种一致的取向是天然环糊精的结构特性的集中体现。     

基于TDR的多孔介质中含水/水合物饱和度测量方法仿真研究

为了优化设计时域反射技术（TDR）中的探针结构,建立基于TDR响应的含水/水合物测量模型,利用有限元数值模拟方法建立了TDR测量过程数值仿真模型。分别以空气、不同浓度氯化钠溶液以及不同水合物含量的石英砂为被测介质验证了模型的正确性、研究了被测介质电导率和介电常数对反射波形的影响规律。通过改变被测介质的介电常数来模拟含水/水合物饱和度不同的石英砂,随着石英砂中水合物含量的增加,含水量逐渐降低,表观介电常数随之减小,电磁波传播速度随之以非线性形式增加;与理论值相比较,仿真计算所得到的传播速度最大误差处于5%以内。下一步需要在数值模型中的被测区域中填充各相异性材料来更加真实地模拟含水合物沉积物被测介质。     

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。     

基于高通量计算平台的晶体表面切割设计与实现

在进行晶体表面性质的理论研究时,周期性薄膜 (slab) 结构模型用在基于密度泛函理论的第一性原理计算中,用来模拟表面体系结构。本文详细描述了如何从一个晶体结构切割出指定晶面的周期性薄膜结构模型的算法,特别的,该算法能够为所切表面指定裸露原子。MatCloud 材料计算平台是一个国内自主研发的高通量材料计算平台,基于 MatCloud 平台,我们开发了晶体表面切割模块,实现了对晶体的低密勒指数表面建模。并将该模块与高通量表面吸附模块进行集成,为自动寻找所有可能的表面活性位点,以及不同吸附位点的晶体结构的高通量筛选和性质计算提供了初始模型。     

基于改进细胞链表算法的分子动力学模拟性能优化模型

在改进的细胞链表算法中,细胞大小的减少会降低该算法的通信量和粒子之间距离计算的次数,同时会增加部居细胞的数量。多细胞分子动力学算法是分子动力学模拟中普遍使用的并行算法。将改进细胞链表算法的基本思想应用到多细胞分子动力学算法中,推导出了一个分子动力学模拟性能评价模型,并据此提出一个优化模型来加速分子动力学模拟。实验结果表明,根据该优化模型确定的细胞大小可以提高分子动力学模拟程序的性能。     

动态三维真彩色晶体结构绘画系统的设计

将计算机三维动画技术引入晶体结构研究,用Ｃ语言设计制作出用于绘制动态三维真彩色晶体结构图的大型计算机绘图软件包－－晶体结构三维实验造型系统软件包３ＤＳＰＬＯＴＳ,利用晶格常数、空间群、原子坐标和原子半径等参数在计算机模拟的三维空间内制作出晶体结构的动画影像,引入三维晶体结构动画概念,使晶体结构的绘图技术从静态图向动态图发展。     

基于GPU的分子动力学模拟Cell Verlet算法实现及其并行性能分析

分子动力学模拟存在空间和时间的复杂性,并行加速分子的模拟过程尤为重要。基于GPU硬件数据并行架构的特点,组合分子动力学模拟的原子划分和空间划分的并行策略,优化实现了短程作用力计算Cell Verlet算法,并对分子动力学核心基础算法的GPU实现做了优化和性能分析。Cell Verlet算法实现首先采用原子划分的方式,将每个粒子的模拟计算任务映射到每个GPU线程,并采用空间划分的方式将模拟区域进行元胞划分,建立元胞索引表,实现粒子在模拟空间的实时定位;而在计算粒子间的作用力时,引入希尔伯特空间填充曲线方法来保持数据的线性存储与数据的三维空间分布的局部相关性,以便通过缓存加速GPU的全局内存访问;也利用了访存地址对齐和块内共享等技术来优化设计GPU分子动力学模拟过程。实例测试与对比分析显示,当前的算法实现具有强可扩展性和加速比等优势。     

天然气水合物试验装置的智能化设计

介绍了一种天然气水合物实验研究装置，该装置能模拟水合物的生成和开采过程。系统工作稳定，性能完全符合实验要求，自动化程度高，为研究水合物提供了基本保证。