分子动力学模拟中基于GPU的范德华非键作用计算

GPU最初是专为图形渲染而设计的.近年来已经演化为高并行度、多线程、具有强大计算能力和极高存储器带宽的通用多核处理器,目前主流GPLJ的峰值计算能力通常可达CPU的数10倍.这提供了1种解决大计算量难题的新的可能.分子动力学模拟需要极强的计算能力.故使用GPU来进行分子动力学模拟的尝试是很自然的选择.本文基于NVIDIA的GeForceGTX295 GPU和CUDA2.3开发环境实现了范德华力计算、范德华势能计算和基于网格的邻居搜索.在邻居搜索算法实现中,对于不同计算能力的GPU给出了不同的实现策略.对36万粒子规模的高分子聚乙烯体系算例的测试表明:1个时间步的计算结果与计算性能突出的分子动力学软件GROMACS相应的计算结果一致(运行在工作站Intel Xeon E 5405上),相对于CPU单核计算性能有大幅提高,其中邻居搜索加速了17倍,范德华力计算加速了47倍;并且解决了邻居搜索时的边界问题.虽然本文是针对范德华力的计算,但是策略是通用的,其他方向的研究人员也可以参考.测试结果表明,使用 GPU来加速较大规模计算量的计算是可取的.     

部分水解聚丙烯酰胺组成测定的~(13)C-NMR和红外光谱方法

本文建立了通过~(13)C-NMR和IR手段对部分水解聚丙烯酰胺P(AM/AA)进行共聚物组成测定的两种方法。~(13)C-NMR方法从P(AM/AA)的不同单体链节CH碳共振峰的相对积分面积直接得到分子的组分含量。IR方法先将试样转化成Na盐,然后测定1580cm~(-1)和1660cm~(-1)处的相对吸光度,二者之比(R)与样品水解度有如下的线性关系: R=2.236-0.021×AA％根据实验结果讨论了~(13)C-NMR、IR及元素分析方法测定P(AM/AA)组成的优缺点。     

动态粒子组成的椭球体的几何尺寸计算方法

为了研究一种线状高分子材料在另一种高分子基体中熔融断裂后,从椭球变化到球的过程,本文给出了由动态粒子堆积成的密度有涨落椭球体的几何尺寸计算方法,介绍了内坐标与回转半径张量法“扭正”椭球、在椭球体边界上取点、非线性最小二乘法拟合椭球方程三个方面的具体计算方法。本文提出了用27个格子确定边界点的方法。在用耗散粒子动力学模拟椭球体变化到球体的过程中,本文用上述计算方法正确测量了椭球体三个半轴的变化,并用不同密度的体系所得体积值较稳定验证了计算方法的准确性。     

用~(13)C的核磁共振谱分析全同立构聚丙烯中的不规则立体异构体

应用 Suter-Flory 的聚丙烯链旋转异构态模型,对全同立构、间同立构以及含有反常立体异构体的全同立构聚丙烯的铀构象几率进行了计算。根据键构象几率和γ效应,计算了聚丙烯的 CH_3、CH_2和 CH 碳的化学位移。由于不同形式的不规则立体异构体单元引入到全同立构聚丙烯中,因而产生了新的共振吸收峰组。~(13)C 化学位移的计算值能与实测值很好地符合。     

应用分子力学研究表面吸附能的可行性

为了节省计算时间和资源,研究真实体系的表面吸附问题,少数科研工作者采用分子力学研究分子的表面吸附问题。但是我们知道分子力学方法采用了“Born-Oppenheimer”近似,忽略了电子的运动,只计算与原子核位置相关的体系能量,因此不能求解与电子运动和分布相关的问题。然而表面吸附可以划分为物理吸附和化学吸附两种情况。在物理吸附过程中,分子的电子运动和分布并没有发生变化。而在化学吸附过程中,分子的电子运动和分布发生了变化。那么用分子力学来研究表面吸附中的物理吸附过程忽略化学吸附,到底会对最终的吸附分析造成多大的误差呢?用分子力学来研究表面吸附究竟是否可行呢?为了消除这些困惑,我们通过分子力学优化计算得到了TiO_2(110)表面对无机分子(H_2O,CO_2),有机小分子(CH_3OH,CHOOH,CH_2O),共轭分子(Bi-isonicotinic acid)的分子吸附能,并将这些吸附能与实验,其他量化计算(DFT,PM3)的结果进行对比。我们的数据表明,用分子力学计算得到的吸附能与实验值,量化计算值都相当接近。因此用分子力学来研究表面吸附是可行的。     

~(13)C NMR和IR研究聚丙烯的立体规正性

由聚丙烯的~(13)C NMR 谱计算出全同二单元组 meso dyad(m)以及连续均为m/长度由 n 到∞ 的生成几率 P_m≥n 等数据,讨论了它们和 FT-IR 测量得到的一些特征吸收峰吸光度比值之间的相关性。指出红外谱的 A_(998)/A_(1456),A_(1156)/A_(1456)等吸光度比值和 P_m 之间相关性不佳,但 A_(973)/A_(1456)的比值和 P_m 间却有较好的线性关系,给出了相关方程。     

自组装二十烷二羰基二-L-谷氨酸纳米管的分子模拟

为了洞察自组装二十烷二羰基二-L-谷氨酸(Eicosanedioyl—di—L—glutamic acid)EDGA球形螺旋纳米管微观结构，我们在大型计算机工作站SGI3800上，利用CERIUS2分子模拟软件，进行了计算机分子模拟。首先，根据EDGA分子在纳米管壁中的受力情况，确定了相当于二维周期边界条件的三维周期边界模型，由分子动力学构象搜索法寻找低能量的分子构象，进而运用分子力学、分子动力学交替进行的退火算法对EDGA单层膜聚集体进行模拟计算；结果得到分子两端基谷氨酸的构象不同的最低能量的分子构象，和螺旋与弯曲两种趋势同时存在的EDGA单层膜聚集体。模拟结果可以合理地描述自组装二十烷二羰基二-L-谷氨酸球形螺旋纳米管的一些结构特征。     

高分子的计算机模拟研究进展

本文简要叙述了我们实验近年来在用计算机模拟方法研究高分子科学方面的一些进展。     

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”。     

化学计算软件网格化方法研究

本文以分子力学计算为例,提出了一个化学计算软件网格化的思路.目前已有的化学计算软件多为单机版本,以高级编程语言如FORTRAN、C/C 等编制而成,本文采用JNI技术与Globus Toolkit 4软件相结合的方法对分子力学C 计算程序进行封装,基于Java语言和Web Service实现了它的网格化,对计算程序的内部核心未做改动.本文的技术路线可用于其他化学计算软件向网格环境方便、有效地移植.