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。     

（RbCl）108离子簇均相成核的分子动力学研究

分子动力学模拟测得熔融（RbCl)108离子簇在300K至600K温度时凝固的成核速率大于10^35m^-3s^-1,用均相成核的经典理论加以分析,估算得氯化铷离子簇的固液界面自由能σalT^1.4,用Grunasy提出的扩散界面理论加以分析,估算得扩展界面厚度约为0．195nm,σalT^0.97,2个理论在实验温度范围内没有明显判别,且均能较好地分子动力学模型的结果,但预测的较高温度下的成核速率有比较显著区别,因此进一步地研究将有助于鉴别它们。     

近程作用分子动力学模拟的两级并行

分子动力学作为一种重要的计算手段在许多领域有着广泛的应用，由于它的计算量比较庞大，因此并行计算方法被越来越多地引入到分子动力学的模拟中。本文在目前常见的SMP集群系统上，根据系统的结构特点，针对分子动力学的三种并行算法：区域分解法、原子分解法和力分解法，利用MPI Pthread的混合编程模型，采用节点间消息传递模式以及节点内部共享存储的编程模式，实现了近程作用分子动力学的两级并行计算。计算结果表明，不同的算法采用了两级并行的方式和原来只有消息传递的并行方式相比，具有不同的计算效率，但是从总体来说采用两级并行的计算方式可以利用更多的计算资源，从而有助于提高计算能力。     

类弹性蛋白多肽的分子动力学研究

类弹性蛋白多肽因其具有特殊的相变性质,故而在重组蛋白纯化方面展现出良好的应用前景,对其发生相变的机理进行研究具有重要意义.本文利用同源建模的方法构建了类弹性蛋白多肽的三维结构并进行能量优化,之后采用分子动力学模拟手段,在300 K～400 K间5个不同温度下,对含有100个氨基酸残基的类弹性蛋白多肽[KV8F-20]各进行了6 ns的模拟.模拟过程中,类弹性蛋白多肽发生疏水缩聚,初始结构变得更加紧凑,且温度越高折叠程度越大.水分子在类弹性蛋白多肽的相变行为中起到关键作用.经分析,结果发现疏水作用与水的排出在类弹性蛋白多肽发生相变过程中起到关键作用,类弹性蛋白多肽随着温度的升高,在疏水作用驱动下,其构象折叠程度因疏水缩聚而变得更大.此外,比较不同温度下蛋白的缩聚程度,推断类弹性蛋白多肽在375 K左右发生相变,这与实验观测的结果基本吻合.据此,推测该类弹性蛋白多肽变温度范围约为95℃～102℃.这对后续调控类弹性蛋白多肽的相变具有指导作用.     

GPU加速分子动力学模拟的热力学量提取*

近年来,统一计算设备架构(CUDA)的提出和图形处理器（GPU）快速提升的并行处理能力和数据传输能力,使得基于CUDA的GPU通用计算迅速成为一个研究热点。针对含有大规模分子动力学模拟的热力学量提取效率低下的问题,提出了分子动力学模拟的热力学量提取的新方法,利用CUDA设计了并行算法,实现了利用GPU加速分子动力学模拟的热力学量提取。实验结果表明,与基于CPU的算法相比, GPU可以提高速度500倍左右。     

甘油-水二元低温保护液玻璃化转变温度的理论预测

玻璃化是牛物器官低温保存的最有效方式,玻璃化转变温度(Tg)是表征和研究低温保护液玻璃化过程的重要参数.目前,测定玻璃化转变温度最常用方法是差示扫描量热法(DSC)和动态热机械分析法(DMA).本文初次尝试利用等温等压下的分子动力学模拟预测甘油水溶液(60%,wt/%)的玻璃化转变温度.在90 K～273 K范围内,逐个温度点模拟计算体系的恒压热容(Cp)、密度(P)、无定形晶胞体积(Vcell)、特征原子的径向分布函数和氧键的形成几率等状态参数.通过这些参数随温度的变化规律和拐点,确定甘油水溶液的Tg值.分子模拟计算结果表明:模拟计算的Tg值(160.06 K～167.51 K)与DSC实验测定结果(163.60 K～167.10 K)几乎一样.可见,分子动力学模拟(MD)可以预测甘油-水二元低温保护液的玻璃化转变温度,这种方法也可推广到其他的多元低温保护液.     

环糊精-卟啉与二苯乙烯衍生物包结作用的分子动力学模拟研究

为了考察环糊精-卟啉与二苯乙烯所形成包结物的稳定性对环糊精-卟啉催化二苯乙烯环氧化选择性的影响,本文采用分子动力学方法研究了环糊精-卟啉与一系列二苯乙烯衍牛物所形成的包结物,并从主客体之间的相互作用能、相对距离的变化及包结结构3个方面考察了包结物的稳定性.计算结果表明,不同的二苯乙烯衍生物与环糊精-卟啉所形成包结物的稳定性不同,二苯乙烯两端的取代基与卟啉两端环糊精空腔的几何尺寸越匹配,环糊精-卟啉与二苯乙烯衍生物所形成包结物的结合稳定性越强,越有利于环糊精-卟啉对二苯乙烯进行选择性催化环氧化.     

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。     

基于分子动力学的超晶格薄膜的导热系数影响因素分析

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格薄膜的热传导性能,分别计算了组成超晶格薄膜的两种材料的导热系数.从粒子质量、势阱深度、晶格常数的变化等方面讨论了其对薄膜两种材料的切向导热系数的影响.模拟结果表明:不同粒子质量的两种材料组成的超晶格薄膜中,二者的导热性能相互间影响并不大.而势阱深度的改变则两种材料的导热性能会相互产生影响,但在晶格不匹配时,超晶格薄膜的界面出现了应变,两者的导热系数均会产生较大的变化.同时还发现,薄膜的宽度不同时,大质量比的材料的导热系数趋于一致.     

ATMP及其取代物缓蚀阻垢机理的分子动力学研究

采用分子动力学方法,模拟计算了缓蚀阻垢剂ATMP及其取代物与方解石(104),(102),(202),(113)面和铁(100)面的相互作用,结果表明:ATMP及其取代物中的氧原子与碳酸钙的Ca~(2+)形成的离子键对吸附起到了主要作用。同时化合物与方解石晶面间存在较弱的范德华力相互作用。化合物与方解石各晶面的的结合能强弱顺序为(202)>(102)>(113)≈(104),化合物与Fe(100)面作用主要来自于范德华的非键作用,膦酸基团和羧酸基团都有利于缓蚀阻垢效果的增强,膦酸基团对缓蚀阻垢效果的影响更为明显。     

氯霉素分子印迹聚合物预组装过程的分子动力学研究

以氯霉素(CAP)为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为功能单体,采用分子动力学方法研究了不同预组装体系中CAP与功能单体的相互作用,考察了溶剂(氯仿、甲醇、乙腈)对预组装体系的影响,并采用试验方法验证模拟结果,最后研究了预组装体系中CAP与功能单体相互作用距离。结果表明:模拟结果与实验结果一致,在甲醇溶剂中,CAP与功能单体相互作用强弱顺序为MAA>AA>AM>MMA;乙腈溶剂中顺序为AM>MAA>AA>MMA。CAP与功能单体相互作用基团的距离在1.8~5.0,两者间可能存在较强的非共价结合作用。     

基于Intel MIC平台大规模耗散粒子动力学模拟的设计与优化

耗散粒子动力学(DPD)模拟是一种重要的研究流体动力学特性的计算模拟方法,基于Intel MIC平台设计实现了面向大规模耗散粒子动力学模拟,充分结合了DPD模拟本身的特性和MIC平台的特征。对DPD模拟中的近邻列表构建和短程作用力关键代码实现了向量化优化,在CPU和MIC协处理器之间采用任务计算负载平衡机制,支持MPI进程内线程数量负载平衡控制。分别在原型程序上和LAMMPS集成中做了性能对比分析,实验结果显示了引入相关优化技术的有效性,为进一步研究面向MIC众核平台的分子动力学相关工作奠定了基础。     

分子动力学模拟聚赖氨酸在晶格界面上的吸附

分子模拟为从微观角度理解生物大分子提供了有利的工具。本文采用分子动力学方法研究在Pt(100)、Pt(110)及Pt (111)三种晶格界面上聚十赖氨酸分子的吸附,以从分子水平上研究蛋白质吸附的动态过程和机理。界面的作用使部分聚十赖氨酸分子出现了较明显的二面角变化,说明吸附过程中界面的特性对聚赖氨酸的分子结构有影响;在Pt(100)与Pt(111)界面上,聚十赖氨酸分子构象变化较大,Pt(110)变化较小。聚十赖氨酸分子在吸附中,能量变化与分子构象变化的结果一致,构象变化较大的Pt(100)和Pt(111)界面上聚十赖氨酸分子能量的平均值高于Pt(110)。聚十赖氨酸分子在Pt(100)与Pt(111)界面上先远离界面运动,然后在某位置稳定波动;在Pt(110)界面上先靠近界面运动一段时间后又远离界面。     

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。     

分子动力学并行算法研究

文章阐述了三种用于分子动力学计算的并行算法,并分别就算法的计算量、通信量和负载均衡进行了分析。     

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.     

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。     

A molecular dynamical study of granular fluids I: The unforced granular gas in two dimensions

Results of a numerical study of the dynamics of a collection of disks colliding inelastically in a periodic two-dimensional enclosure are presented. The properties of this system, which is perhaps the simplest model for rapidly flowing granular materials, are markedly different from those known for atomic or moleclar gases, in which collisions are of elastic nature. The most prominent feature characterizing granular systems, even in the idealized situation in which no external forcing exists and the initial condition is statistically homogeneous, is their inherent instability to inhomogeneous fluctuations. Granular gases are thus generically nonuniform, a fact that suggests extreme caution in pursuing direct analogies with molecular gases. We find that once an inhomogeneous state sets in, the velocity distribution functions differ from the classical Maxwell-Boltzmann distribution. Other characteristics of the system are different from their counterparts in molecular systems as well. For a given value of the coefficient of restitution,e, a granular system forms clusters of typical separationL ₀l/(1-e ²)^1/2, wherel is the mean free path in the corresponding homogeneous system. Most of the fluctuating kinetic energy then resides in the relatively dilute regions that surround the clusters. Systems whose linear dimensions are less thenL ⁰ do not give rise to clusters; still they are inhomogeneous, the scale of the corresponding inhomogeneity being the longest wavelength allowed by the system's size. The present article is devoted to a detailed numerical study of the above-mentioned clustering phenomenon in two dimensions and in the absence of external forcing. A theoretical framework explaining this phenomenon is outlined. Some general implications as well as practical ramifications are discussed.     

非平衡分子动力学在炭膜气体分离CH4/CO2中的模拟研究

通过建立单孔狭缝模型,采用非平衡分子动力学方法研究CH_4/CO_2二元气体混合物通过管状炭膜的传递和分离特性,考察了系统温度、气体组成和膜孔径对通量的影响。模拟过程中将膜低势,区压力取为更符合实际情况的非零值(大于零)。研究结果表明,在温度为20℃～160℃范围内,随温度升高,CH_4的通量增加,CO_2的通量则先降低后升高(80℃出现最低值);随混合气中CH_4组成的增加,CO_2通量下降、CH_4通量升高;随膜孔径增大,CH_4通量先增后减(9.77 (?)时出现最大值)、CO_2通量则呈下降趋势。以上模拟结果与实验数据相比较,吻合良好。在此基础上,本文还考察了跨膜压差对过程的影响,发现CH_4和CO_2的通量均随跨膜压差的增大而增大,膜的分离性能则随之降低。本研究结果充分表明,所建模型能够正确地描述CH_4/CO_2气体混合物的炭膜分离过程。