ReaxFF MD模拟结果分析中化学反应路径网络的发现

反应分子动力学(ReaxFFMD)是一种极具潜力可应用于模拟较大规模分子体系(10,000个原子)化学反应的新方法。大规模ReaxFF MD模拟得到的原子轨迹和键级信息中蕴含着复杂的化学反应信息,人工分析机理并不现实。利用作者课题组开发的反应分子动力学分析与可视化工具VARxMD可从模拟结果中自动获取物种信息和详细的化学反应列表,并提供了基于子结构等特征对反应物种及其参与的反应进行分类。本工作在此基础上,进一步扩展了对指定起始反应物物种与目标产物物种之间的所有反应路径的搜索、并构建化学反应网络的功能。本文概要介绍反应路径的搜索策略,并以含能材料CL-20热分解生成N2产物为例,介绍了反应路径搜索得到的反应路径及其交互式可视化的应用。     

低温流动改进剂在柴油蜡晶形成阶段的晶形控制作用

采用实验和分子动力学模拟结合的方法,考察了多种乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和聚甲基丙烯酸参酯(PMA)类低温流动改进剂(CFI),在蜡晶形成阶段,对蜡晶晶形的影响。结果表明,在蜡晶形成阶段,CFI通过改变柴油烃分子的排列方式和相互作用能,控制蜡晶形态,避免粒径较大且容易聚集的片状蜡晶生成。CFI分子保持伸展的构象,并对烃分子有较强的吸附能力,更利于其控制晶形作用的实现。CFI分子中的极性基团和非极性短支链可起到分散烃和分子保持聚合物分子的伸展构象的作用。CFI聚合物分子中含有较多连续的亚甲基结构有利于增强其吸附烃分子的能力。     

水解聚马来酸酐的微观阻垢机理研究

利用分子模拟方法优化了水解聚马来酸酐的构型,模拟了水解程度不同时各聚合物与碳酸钙晶体之间的相互作用,并计算了其作用能量和原子键距的变化。计算结果显示:所有阻垢剂分子均逐渐接近方解石晶体,阻垢剂分子链中的活性羧酸基团与Ca2 螯合,某些基团与Ca2 离子的键距越来越趋近,占据晶体的晶格生长点或嵌入晶体内部,同时分子结构存在小幅度的变形;说明该聚合物的阻垢机理是抑制晶体成核即抑制碳酸钙的长大,同时使晶体晶格扭曲畸变使垢松软。作用后动能、势能和总能量均有不同程度的降低,趋于更稳定的构型,并随着水解度的增大,阻垢作用更加明显。     

分子动力学方法模拟单链聚乙烯的结晶过程

采用分子动力学模拟方法了真空状态下单链聚乙烯从伸直链开始的结晶过程。结晶表明,整个模拟过程可以分成３个阶段。由于内聚能和熵的驱动,伸直链开始因各个σ键的内旋转和构象态跃迁而卷曲,聚集,渐渐形成具有一定密度的无规线团。这一阶段称为“内聚阶段”。     

反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟结果分析工具VARxMD

反应分子动力学(ReaxFF MD)是一种很有潜力研究较大体系(1000个原子)复杂化学反应的方法。国际上现有的ReaxFF MD模拟结果分析工具无法让用户了解所模拟的过程中发生的化学反应细节,对于规模小或简单的反应体系进行人工分析还可以接受,但对于原子规模达到~1000-~10000的大体系模拟,反应分析功能的缺乏,将使研究者对反应机理的分析陷入困境。本文研发的反应分子动力学分析与可视化工具VARxMD(Visualization and Analysis of ReaxFF Molecular Dynamics),它是国际上第一个实现对ReaxFF MD模拟轨迹进行化学反应自动分析的工具。VARxMD是基于Qt/VTK和其它第三方库研发的跨平台图形用户界面程序,借助化学信息学的化学结构处理方法,对ReaxFF MD模拟结果轨迹中的原子、物种、成断键的分析,并结合数据可视化和分子片段结构可视化,实现对ReaxFF MD模拟结果的深度分析,可获得模拟过程中完整的化学反应信息。VARxMD已应用于煤热解和聚乙烯等复杂分子体系热解的化学反应机理探索,且VARxMD具有通用性,有望被应用于更多的体系。     

羟基化树状大分子与布洛芬相互作用的分子模拟研究

采用分子对接和分子动力学(MD)的模拟方法研究了第四代羟基为末端基团的树状大分子(PAMAM-G4-OH)与布洛芬的相互作用机理并对形成的复合物稳定性进行研究,结果发现:布洛芬插入PAMAM-G4-OH树状大分子空穴,羧基基团靠近核心;对接过程中分子间的范德华力和分子间的氢键贡献很大;将复合物体系进行2000 ps的MD模拟,发现前1000 ps体系的势能、总能量和RMSD值持续下降趋于平衡,最后分别在-1639 kcal/mol～-1701 kcal/mol,-457.009 kcal/mol～-475.809 kcal/mol,0.487A～0.607A范围内波动:复合物的结构起先较松散,经过2000 ps的模拟后逐渐紧凑。结论:树状大分子(PAMAM-G4-OH)与布洛芬主要作用力主为静电力,该静电力主要由布洛芬的羧基去质子化后形成的负电离子和树状大分子内部碱性的叔胺离子产生的;经过2000 ps的分子动力学模拟后,该体系达到了稳定状态。     

大分子蠕动的Monte Carlo模型及计算方法

高分子链分子量巨大而且分散,结构复杂多变,存在大量不确定的问题,给理论和实验研究造成许多困难。本文建立了一种基于高分子Monte Carlo模拟算法,分析分子蠕动阻力的模型。用链动力学法构造8配位点键长涨落格子链多链体系,通过高分子链的运动使任意的初始有序态演化到平衡态,可同时获得体系的动态和静态性质。将重要性抽样法和高分子多链体系的链动力学构造法,在键长涨落模型中结合起来,形成多链体系的链动力学求解法。引入空格扩散算法,用以研究高浓度态的高分子体系。统计平衡后元胞内高分子多链体系在链动力学算法作用下蠕动失败机率,对高聚物多链体系内分子蠕动的困难程度的定量模拟,能更直观分析高分子玻璃化转变的现象。     

十二烷基磺丙基甜菜碱表面活性剂的气液界面聚集行为分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对十二烷基磺丙基甜菜碱(SB12-3)在气/液界面微观聚集行为进行研究,模拟结果表明:SB12-3分子在气/液界面处紧密排列形成紧密单分子层界面膜,SB12-3亲水基团-N~+-(CH_2)_3-SO_3~--磺酸基与水分子间相互作用高于季氮离子与水分子间相互作用,水分子更易聚集与磺酸基周围,加入Ca~(2+)后磺酸基中SB12-3分子与水分子之间氢键数量基本保持不变,解释了SB12-3具有较强的耐盐性能;体系中加入Na~+和Ca~(2+)对亲水基团占有面积影响较小,SB12-3疏水链尾端碳原子灵活性与摆动空间序参数较小,有序性较好。     

不同功能单体制备水杨酸分子印迹聚合物的分子模拟研究

采用分子模拟技术,研究水杨酸分子制备印迹聚合物过程中,水杨酸(SA)与不同功能单体之间的结合能.作者等先计算水杨酸与常用功能单体之间的结合能,再选出适合制备水杨酸分子印迹聚合物的功能单体.其次详细讨论丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酸(MAA)与SA的结合能以及聚合物与水杨酸分子之问的结合能.发现,(1)制备分子印迹聚合物过程中,水杨酸的作用功能基团是-COOH,AM、MAA的作用功能基团分别是-NH2、-COOH.(2)SA与AM形成的复合物结合能大于与MAA形成复合物的结合能.由此,推断以AM为功能单体的水杨酸分子印迹聚合物,比以MAA为功能单体的水杨酸分子印迹聚合物的吸附量大,与实验结果一致.     

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.     

两亲性肽纳米纤维聚集的耗散粒子动力学模拟

根据PA分子基团的化学性质和粒子大小,将PA分子分成DPD粒子,将适当大小的水簇视为溶剂粒子,克服了模拟技巧的困难,首次用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法模拟了两亲性肽分子PA的自组装相行为.模拟结果表明:在水溶剂的辅助下,在三维纤维状的圆柱聚合体中,这些分子能进行自组装.DPD的模拟结果受溶剂珠粒的大小、温度及PA与溶剂的比例等多种因素的影响.研究同时发现,在圆筒状纤维中,使用5～9个水簇的溶剂粒子可得到PA分子的聚合体.形成纳米纤维聚合体的条件是PA与水珠粒的比值大于1∶6,温度高于340 K.筒状聚合体直径的估计值符合实验测量值.     

非晶态物质凝固过程分子动力学仿真

针对非晶态物质凝固过程中分子捕捉的准确度较低的问题,从多项分子力场入手,提出非晶态物质凝固时分子动力学仿真方法.根据非晶态物质分子凝固过程中的排斥和吸引作用,建立分子势函数,组成分子动力学力场.通过力场作用的约束能力,结合分子动力学相关数据,进行分子约束动力捕捉,并引入分子动力学约束性算法,解决捕捉后无法描述正态分子的问题.将约束后的分子公式汇聚,引入量子力学计算公式,根据分子体系波函和本征函数进行数据计算,通过计算结果结合量子体系实现对非晶态物质分子的动力模拟.实验数据表明,所设计方法下模拟过程分子的集散度得到了大幅度提高,能够完成提高分子捕捉准确度的目标,具有有效性.     

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。     

复杂边界模拟中初始条件的实现方法

提出一种新颖的生成初始粒子信息方法,介绍了从图像直接生成初始粒子分布的过程,利用Matlab和C 程序实现了复杂几何形状区域上初始粒子的生成,为粒子方法模拟复杂边界的多相流体系及流动、传递和反应相耦合的过程提供了有效支持。通过模拟肺呼吸的粒子初始化的实验表明,利用该方法能方便、准确地生成复杂的二维几何边界的初始粒子分布。     

PEO尾形链构象统计的Monte Carlo研究

基于ＰＥＯ链分子实际键长、链角及条件下每一链段处于不同旋转导构态的条件概率,用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模拟生成样本链分子,计算了ＰＥＯ尾形链的均方末端矩及其分量、构象数,并与完全计算法及理论方法作子比较,讨论了尾形链构象数和治边界方向及法线方向方末端矩分量随链段数n及键角的变化。     

玻纤增强聚乙烯界面行为的分子模拟研究

为研究复合材料界面与力学性能的关系,本文运用分子力学(MM)和分子动力学(MD)方法,从玻纤(GF)与聚乙烯(PE)界面结构和能量的微观角度分别探讨了分子静态和动态下界面的吸附、粘结行为,并从分子微观角度提出玻纤增强聚合物复合材料力学性能的观点。结果表明:体系中静电力、键合力和范德华力的作用使得GF／PE混合体系比纯PE体系更加稳定;当GF加入量过大时,体系中非键合原子之间近程排斥力增大,色散力减小,影响到基体PE与增强物GF的粘接力,也不能起到良好的粘结作用。     

含银纳米粒子中不对称硫醚链相关性的探讨

纳米银簇外层包裹有机链形成的纳米粒子可以用于组装成纳米电子器件。纳米粒子冠中链间电子传输的可能性与链及苯环间的相关性有关。本文以87个银原子核外层吸附了22根不对称硫醚链的含银纳米粒子为研究对象,利用分子动力学模拟得到一定温度下的轨迹数据。由此出发.以次序参数为依据,对不同条件下的链及苯环间相关性进行了探讨。通过对采用不同临界次序参数下链及苯环间相关性的分析,确定了较为合理的相关性判据。同时,本文还考察了升高温度对链及苯环间的相关性的影响。     

典型三环杂环化合物电子结构和性质的DFT研究

采用杂化的DFT理论,研究了6种典型三环稠杂环化合物的几何结构、电子密度拓朴结构、NICS以及HOMO-LUMO能级差、电子亲和势和电离能等性质。研究表明,6种三环化合物均为平面结构,分子体系中所有化学键都具有π键特征,环平面上存在较强的共轭作用。这6种化合物具有较小的HOMO-LUMO能级分离值(2.22 eV～3.71 eV),较大的电子亲和势和较大的电离能。因此,在导电聚合物分子设计中,三环杂环化合物可作为良好的电子受体引入共轭聚合物分子。三环杂环化合物结构单元的引入将有利于加强体系π电子的离域,降低聚合物的能隙和增加聚合物体系还原掺杂态的稳定性。     

分子模拟方法研究纳米粒子环境行为——进展与方向

纳米粒子环境行为的研究方兴未艾,而实验研究往往不能全面解释其反应过程和机制,并存在时间-成本-效益等问题。近年应用分子模拟方法研究物质微观运动得到快速发展,其在揭示微观反应机制的优越性是对实验的有力补充。本文概述了国内外应用分子模拟研究纳米粒子环境行为的进展,包括大气中纳米粒子的形成过程、在水相中的团聚/分散和吸附行为、在生物相中与生物大分子间相互作用;总结了研究纳米粒子环境行为的常用分子模拟方法,并进一步展望了应用分子模拟方法研究纳米粒子环境行为的发展方向。     

系列烷基芳基磺酸盐的自由能微扰计算

采用分子动力学的方法模拟了9种系列烷基芳基磺酸盐在真空和水溶液环境下的结构与相互作用。利用自由能微扰方法计算了9种结构的水合自由能,结果表明:随着芳环向长烷基链的中间位置移动,胶束化能力下降,随着芳环上长烷基链碳数的增加、随着芳环上短烷基链个数的增加和短烷基链碳数的增加,胶束化能力提升;通过对自由能的力的分解和原子对的径向分布函数分析,揭示了胶束的驱动力是疏水效应综合作用的结果;根据氢键的图形定义,分析了系列表面活性剂极性头与周围水分子的氢键相互作用,发现氢键的数目能增强或者减弱分子脱离胶束体的趋势,进而影响胶束的稳定性;同时计算了水分子中氢键的生存周期。