生物柴油分子系统凝固过程的分子动力学模拟

具有良好的低温流动性是生物柴油的重要特性之一,而这一性质与系统的凝点相关联.本文以硬脂酸甲酯、油酸甲酯等7种常见生物柴油组成分子为研究对象,通过建模构建了7种单组份生物柴油分子的模拟液态模型.利用分子动力学方法对7种液态模型系统的凝固过程进行了研究.采用PCFF力场,在一定的模拟条件下,对系统进行逐次降温分子动力学模拟.根据分子动力学轨迹,计算了不同温度下系统的热容、碳原子自扩散系数以及分子链的头尾距.模拟计算得到的液态热容合理.利用“热容法”和“扩散系数法”对不同系统的凝点进行判断,发现凝点区间基本一致,且与实际凝点基本相吻合.而采用2种区间交集的方法得到的凝点区间则与实际凝点十分相近.以油酸甲酯为例,模拟观察到,随着温度降低,分子链总体呈伸展趋势,符合热力学基本原理.在油酸甲酯的凝点前后,链长及链的微观结构存在明显差异.模拟结果表明,本实验方法对研究生物柴油分子系统确实有效.     

LTA和FAU型分子筛吸附CO2力场的研究

采用巨正则系综的蒙特卡罗法,由通用力场Universal、Pcff、Dreiding和Cvff模拟CO2在LTA(4A和5A)和FAU型(NaX和NaY)分子筛上的吸附行为.计算结果显示,现有的通用力场已不适用于分子筛吸附CO2的体系,需要优化力场.CO2在分子筛上吸附是通过分子间非键能发生作用,而文献中优化力场常用的量子化学计算法,虽然求得的分子内键作用力较为精确,但对分子间作用力却不一定有效,特别是范德华力.而计算结果与实验数据拟合法可以更真实反映分子间作用力,故采用后一种方法优化CO2/LTA型分子筛的力场.所得力场参数既适合CO2与5A分子筛吸附体系又适合CO2在4A分子筛上的吸附,但根据LTA型分子筛得到的优化力场不能正确描述FAU型分子筛的吸附行为.采用拟合实验数据的方法,同样得到1组适合NaY分子筛的优化力场,用于计算NaX分子筛的CO2吸附等温线,结果与实验值相吻合.可见,骨架结构相同的分子筛,可以用相同的力场参数去计算其吸附性质,而不受硅铝比和骨架外阳离子的影响.但不同的骨架结构需要不同的力场参数来描述.     

CO在碳酸二甲酯中溶解度的GEMC模拟

采用Gibbs系综蒙特卡罗模拟方法,将TraPPE联合原子力场中缺少的参数补齐。通过设置恰当的模拟参数,首先模拟计算了碳酸二甲酯纯物质的液相密度。结论表明,碳酸二甲酯纯组分的液相密度模拟值与文献数据随着温度的变化有着相同的变化趋势,相对偏差为0.10%~0.55%。在此基础之上,将TraPPE联合力场与DREIDING力场联合使用,进一步计算了CO在碳酸二甲酯中的溶解度,将模拟结果与文献数据进行了对比,相对偏差为3.20%~10.15%。模拟结论表明,改写的力场对CO在碳酸二甲酯中溶解度的模拟具有较高的模拟精确度,为采用分子模拟方法检验和预测CO和碳酸二甲酯二元体系的气液相平衡数据提供了一定的理论基础。     

GROMACS软件并行计算性能分析

分子动力学模拟是对微观分子原子体系在时间与空间上的运动模拟,是从微观本质上认识体系宏观性质的有力方法.针对如何提升分子动力学并行模拟性能的问题,本文以著名软件GROMACS为例,分析其在分子动力学模拟并行计算方面的实现策略,结合分子动力学模拟关键原理与测试实例,提出MPI+OpenMP并行环境下计算性能的优化策略,为并行计算环境下实现分子动力学模拟的最优化计算性能提供理论和实践参考.对GPU异构并行环境下如何进行MPI、OpenMP、GPU搭配选择以达到性能最优,本文亦给出了一定的理论和实例参考.     

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。     

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。     

基于CHARMM力场的蛋白质分子场计算及触觉感知

分子场是研究分子结构与功能的重要工具之一,已经成为药物设计和分子对接的常规方法.由于触觉设备能提供丰富的感官信息,近年来触觉交互正逐渐成为该领域的研究热点.文中研究了蛋白质分子场的触觉感知.首先从蛋白质分子结构出发,基于CHARMM力场,经过分子动力学模拟采样计算得到蛋白质分子场;然后结合触觉设备建立触觉感知模型,通过视觉与触觉相结合的方式分析分子场能量分布以丰富分子场的感知信息;最后绘制触觉场景并给用户提供相关的视觉和触觉反馈.实验结果表明,文中提出的分子场计算方法鲁棒,且触觉系统能保持较好的稳定性.     

生物分子在Ni纳米膜表面吸附的力学特性： 分子动力学模拟

采用COMPASS力场,通过分子动力学模拟,研究了Ni纳米薄膜的弹性模量的尺寸效应,以及生物分子吸附在Ni表面对其力学性能的影响.计算结果表明,随着厚度的增大,吸附强度也在增强;Ni纳米薄膜的弹性模量随着膜厚的减小而减小.氨基酸在Ni表面的吸附能够提高其弹性模量1～2 GPa,并且表明分子的取向是重要的影响因素.     

分子模拟方法预测流体热力学性质

流体的热力学性质数据对化工过程设计具有重要意义,除实验测定外,也可采用分子模拟方法计算。为了考查分子模拟方法预测流体热力学性质的准确性和可靠性,本文以环氧乙烷为例,基于所开发的分子力学力场,综合采用分子动力学和蒙特卡罗等多种分子模拟方法,预测了环氧乙烷在较大温度范围内的气液相平衡、第二维里系数、热容、粘度系数等多种热力学性质。结果表明,采用分子模拟方法所预测的热力学性质与实验值吻合良好,所计算的环氧乙烷的液体密度、气相第二维里系数、热容和粘度系数的平均偏差分别在1%、5%、5%和10%以内。由此可见,分子模拟方法可以成为获取流体热力学性质的另1种可靠手段。     

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。