《分子模拟论文》PPT课件
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《分子模拟教程》PPT课件_OK
❖ 尤其适用于研究纯流体或混合物的相平衡问题； ❖ 此方法不能用于涉及到非常稠密流体的相平衡问题； ❖ 此方法能同时获得共存相的各自密度及其组成； ❖ 此方法避免了共存相界面的问题。
17
GEMC 的配分函数
对于原子系统，位型（构型）的配分函数
Q(N,V1,V2 ,T )
N
V N1 1
(V
V1 ) N N1
复杂流体如：胶体悬浮液、高分子溶液、 表面活性剂溶胶等。
❖ 超临界过程研究中的应用
37
❖ 在多相催化研究中的应用：
➢ 对催化剂进行表征 ➢ 表面吸附与脱附过程及表面性质的模拟 ➢ 催化剂表面反应机理的模拟
38
5.3 介观层次材料的计算机模拟
结构是多层次、多尺度的，并且不仅要研究平衡结构， 还要研究结构随时间的演变。所谓结构，就是粒子在空 间有规律的分布。（胡英院士）
N
exp[U (s N )]
14
Metropolis GCMC algorithm
产生巨正则系综的马尔可夫链的过程涉及到典型的、 三种不同的随机移动：
❖ Attempt to move a particle (just like canonical MC)
❖ Attempt to create a particle ❖ Attempt to delete a particle
19
各种随机移动的概率：
Pmove (m n) min{1, exp[Unm / kT]}
Pvolume (m n) min{1,
change
(V1n ) N1 (V - Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn ) N-N1 (V1m ) N1 (V - V1m ) N-N1
exp[Unm / kT]}
17
GEMC 的配分函数
对于原子系统，位型（构型）的配分函数
Q(N,V1,V2 ,T )
N
V N1 1
(V
V1 ) N N1
复杂流体如：胶体悬浮液、高分子溶液、 表面活性剂溶胶等。
❖ 超临界过程研究中的应用
37
❖ 在多相催化研究中的应用：
➢ 对催化剂进行表征 ➢ 表面吸附与脱附过程及表面性质的模拟 ➢ 催化剂表面反应机理的模拟
38
5.3 介观层次材料的计算机模拟
结构是多层次、多尺度的，并且不仅要研究平衡结构， 还要研究结构随时间的演变。所谓结构，就是粒子在空 间有规律的分布。（胡英院士）
N
exp[U (s N )]
14
Metropolis GCMC algorithm
产生巨正则系综的马尔可夫链的过程涉及到典型的、 三种不同的随机移动：
❖ Attempt to move a particle (just like canonical MC)
❖ Attempt to create a particle ❖ Attempt to delete a particle
19
各种随机移动的概率：
Pmove (m n) min{1, exp[Unm / kT]}
Pvolume (m n) min{1,
change
(V1n ) N1 (V - Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn ) N-N1 (V1m ) N1 (V - V1m ) N-N1
exp[Unm / kT]}
分子模拟PPT—第二章 力场
2. 蒙特卡罗随机采样法
分子内能
分子的能量
Etot Eele Evib Erot Etrans
分子的振动自由度 = 3N-6 = 3N-6 分子的振动能 非线性 线性
Evib Ebonds Eangles Etorsions Ecross
分子间相互作用能
1. 范德华能
AMBER
• / • "Amber" refers to two things: a set of molecular mechanical force fields for the simulation of biomolecules ;and a package of molecular simulation programs which includes source code and demos. The current version of the code is Amber version 10, which is distributed by UCSF subject to a licensing agreement described below. • Amber is now distributed in two parts: AmberTools and Amber10. AmberTools 1.2 & Amber 10 is now available! • Amber was originally developed under the leadership of Peter Kollman, and Version 9 is dedicated to his memory.
第二代力场
• 第二代力场的形式远较上述的经典力场复杂，需 要大量的力常数。其设计的目的为能精确地计算 分子的各种性质、结构、光谱、热力学特性、晶 体特性等资料。其力常数的推导除引用大量的实 验数据外，还参照精确的量子计算的结果。尤其 适用于有机分子或不含过渡金属元素的分子系统。 • 第二代力场因其参数的不同，包括CFF91、 CFF95、PCFF与MMFF93等。
分子模拟PPT—第四章 分子动力学模拟原理
2
rb
or
S2
(r
)
1
r b
2
rb
b
模拟中的控制
• 温度控制 简单方法 – 每一步调节动量都使动能逼近期望值
• 更新位置和力 • 迭代方法使得 v v f
f T Tcalc
– 缺点
• “运行方程” 是不可逆的，系统不遵循细致平衡 • 不属于任何有明确定义的系综
复杂要求 (多时间尺度):
当出现多时间尺度 e.g., 不同质量的混合粒子, 溶剂 聚合体, 柔性和刚性的共存分子体系等等, t 的选取 必须依照体系中动力学变化最快的成分或模型。
积分步长的选取
• 积分步长应小于系统中最快运动周期的1/10。 • 以氩原子的分子动力学计算为例：
U (r) d U (r) d [4 (12 12 / r13 6 6 / r7 )] 4 (156 12 / r14 42 6 / r8)
S(r) 0 r b
b
cutoff 方案
2. Switching
1
ra
S(r) 1 y(r)22 y(r) 3 a r b
0
rb
这里
y(r)
r2 b2
a2 a2
ab
3. Shifting
S1(r)
1
r b
2
dr
dr
U (rmin ) 57.14 / 2
k 4 2 2
mAr mAr 19.981.662 1022 (g)
mAr mAr
57.12 0.24 6.9446 1014 erg
《分子模拟方法》课件
加速研发进程
分子模拟可以大大缩短药 物研发、材料合成等领域 的实验周期，降低研发成 本。
揭示微观机制
通过模拟，可以揭示分子 间的相互作用机制和反应 过程，有助于深入理解物 质的性质和行为。
分子模拟的发展历程
经典力学模拟
基于牛顿力学，适用于 较大分子体系，但精度
较低。
量子力学模拟
适用于小分子体系，精 度高，但计算量大，需
详细描述
利用分子模拟方法，模拟小分子药物与生物大分子（如蛋白质、核酸等）的相 互作用过程，探究药物的作用机制和药效，为新药研发提供理论支持。
高分子材料的模拟研究
总结词
研究高分子材料的结构和性能，优化 材料的设计和制备。
详细描述
通过模拟高分子材料的结构和性能， 探究高分子材料的物理和化学性质， 优化材料的设计和制备过程，为新材 料的研发提供理论指导。
分子动力学方法需要较高的计算资源和 精度，但可以获得较为准确的结果，因 此在计算化学、生物学、材料科学等领
域得到广泛应用。
介观模拟的原理
介观模拟是一种介于微观和宏观之间的模拟方 法，通过模拟一定数量的粒子的相互作用和演 化来研究介观尺度的结构和性质。
介观模拟方法通常采用格子波尔兹曼方法、粒 子流体动力学等方法，适用于模拟流体、表面 、界面等介观尺度的问题。
分子模拟基于量子力学、经典力 学、蒙特卡洛等理论，通过建立 数学模型来描述分子间的相互作
用和运动。
分子模拟可以用于药物研发、材 料科学、环境科学等领域，为实 验研究和工业应用提供重要支持
。
分子模拟的重要性
01
02
03
预测分子性质
通过模拟，可以预测分子 的性质，如稳定性、溶解 度、光谱等，为实验设计 和优化提供指导。
《分子模拟设计》课件
《分子模拟设计 》ppt课件
目录
• 分子模拟设计概述 • 分子模拟设计的基本方法 • 分子模拟设计的应用领域 • 分子模拟设计的挑战与展望 • 分子模拟设计案例分析
01
CATALOGUE
分子模拟设计概述
定义与特点
定义
分子模拟设计是指利用计算机模 拟技术，对分子结构和性质进行 预测和设计的过程。
蒙特卡洛模拟
总结词
基于概率统计的模拟方法
详细描述
蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的模拟方法，通过随机抽样和统计计算来获 得系统的性质。该方法适用于模拟复杂系统，能够考虑系统的随机性和不确定 性。
分子力学模拟
总结词
基于势能函数的模拟方法
详细描述
分子力学模拟是一种基于势能函数的模拟方法，通过势能函数来描述分子间的相互作用和分子结构。该方法适用 于快速计算分子的结构和性质，常用于药物设计和材料科学等领域。
材料的界面行为等多个方面。
高分子材料的模拟设计有助于缩短新材料研发周期、 降低研发成本，提高新材料开发的成功率。
高分子材料的模拟设计是利用分子模拟技术对 高分子材料的结构和性质进行预测和优化的一 种方法。
通过模拟高分子材料的结构和性质，可以预测材 料的力学性能、热性能、电性能等，从而优化材 料的设计和制备工艺。
在生物大分子模拟中，研究人员可以使用分子模拟设计来研究蛋白质、 核酸和糖等生物大分子的结构和动力学性质。
这有助于理解这些大分子在细胞中的功能和相互作用的机制，以及与疾 病相关的生物大分子的异常行为。
04
CATALOGUE
分子模拟设计的挑战与展望
计算资源的限制
计算资源不足
高性能计算机和计算集群的资源有限，难以满足 大规模分子模拟的需求。
目录
• 分子模拟设计概述 • 分子模拟设计的基本方法 • 分子模拟设计的应用领域 • 分子模拟设计的挑战与展望 • 分子模拟设计案例分析
01
CATALOGUE
分子模拟设计概述
定义与特点
定义
分子模拟设计是指利用计算机模 拟技术，对分子结构和性质进行 预测和设计的过程。
蒙特卡洛模拟
总结词
基于概率统计的模拟方法
详细描述
蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的模拟方法，通过随机抽样和统计计算来获 得系统的性质。该方法适用于模拟复杂系统，能够考虑系统的随机性和不确定 性。
分子力学模拟
总结词
基于势能函数的模拟方法
详细描述
分子力学模拟是一种基于势能函数的模拟方法，通过势能函数来描述分子间的相互作用和分子结构。该方法适用 于快速计算分子的结构和性质，常用于药物设计和材料科学等领域。
材料的界面行为等多个方面。
高分子材料的模拟设计有助于缩短新材料研发周期、 降低研发成本，提高新材料开发的成功率。
高分子材料的模拟设计是利用分子模拟技术对 高分子材料的结构和性质进行预测和优化的一 种方法。
通过模拟高分子材料的结构和性质，可以预测材 料的力学性能、热性能、电性能等，从而优化材 料的设计和制备工艺。
在生物大分子模拟中，研究人员可以使用分子模拟设计来研究蛋白质、 核酸和糖等生物大分子的结构和动力学性质。
这有助于理解这些大分子在细胞中的功能和相互作用的机制，以及与疾 病相关的生物大分子的异常行为。
04
CATALOGUE
分子模拟设计的挑战与展望
计算资源的限制
计算资源不足
高性能计算机和计算集群的资源有限，难以满足 大规模分子模拟的需求。
最新分子模拟技术导论教学讲义ppt课件
本章要求
Xi’an University of Science & Technology
教学目的
演示： 让学生了解分子模拟技术的最新进展与应用
教学要求
掌握 分子模拟技术中常用的方法原理； 精通 HyperChem 软件的操作； 探索 对一些反应过程进行分子动力学模拟尝试； 延伸 利用分子模拟技术设计防晒剂 （课外科技活动）
Dept. of Chemical Science & Engineering
Email: Jansweili@ Phone: 029—85583997
2. 分子模拟技术的计算方法
Xi’an University of Science & Technology
量子力学方法
量子力学方法是基于量子力学的分子模拟，它借助计算分子结 构中各微观参数，如电荷密度、键序、轨道、能级等与性质的 关系，设计出具有特定性能的新分子。它们的共同点是对电子 的相互作用采用量子化学的知识进行描述，而不是采用经验性 的势能函数来表示，这种方法有很强的理论基础。
著名的从头计算程序有系列Gaussian程序
Gaussian 98
Gaussian 2003等
ChemComp
Dept. of Chemical Science & Engineering
Email: Jansweili@ Phone: 029—85583997
2. 分子模拟技术的计算方法
Xi’an University of Science & Technology
半经验方法
是对从头计算中的许多积分采用经验参数替代的简化方法，所使用的 经验参数是通过对实验数据的拟合得到的。半经验方法采用了价电子 近似，假定分子中各原子的内层电子可以看作对分子不极化的原子实 的一部分，而只处理价电子，这样进一步减少了计算时间。主要用于 计算构象能与结构的Ｘ射线结果分析，以此分析平衡态性质
《分子模拟教程》课件
人工智能与机器学习应用
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
分子模拟PPT—第一章 概论
Kohn 和 Pople, 表彰他们在开拓用于 分子性质及其参与化学过程研究的理论 和方法上的杰出贡献。
对1998 年诺贝尔化学奖 划时代的评价
瑞典皇家科学院的评价：
“ ··量子化学已发展成为广大化学家都能使用 · 的工具，将化学带入一个新时代 — 实验 与理论能携手协力揭示分子体系的性质。 化学不再是一门纯实验科学了”
I2 在 光 滑 球 模 型
不 Ar 同溶 半剂 径中 光的 滑振 球动 内弛 豫 时 间
Radius / nm 1.2 1.5 1.8 2.2 Shift / cm-1 1.20 1.79 1.76 1.75
受限于不同半径的光滑球内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移
单 壁 碳 纳 米 管 模 型
Radius / nm Shift / cm-1
0.68 (10,10)
1.02 (15,15) 1.36 (20,20) 1.70 (25,25) 2.04 (30,30)
3.42
3.53 3.54 3.55 3.55
受限于不同半径的碳纳米管内I2在 Ar溶剂中的振动光谱位移密度为0.5 g/cm3
纳米反应器
自然界生命体系中的化学变化 绝佳的反应环境
R
+
R
R
R R
product shape selectivity
• “三十年前，如果说并非大多数化学家，那末至少 是有许多化学家嘲笑量子化学研究，认为这些工 作对化学用处不大，甚至几乎完全无用。现在的 情况却是完全两样了…。当90年代行将结束之际， 我们看到化学理论和计算研究的巨大进展，导致 整个化学正在经历一场革命性的变化。Kohn和 Pople是其中的两位最优秀代表”
1986：李远哲：“ 在十五年前，如果理论 结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错 了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。… 量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，
对1998 年诺贝尔化学奖 划时代的评价
瑞典皇家科学院的评价：
“ ··量子化学已发展成为广大化学家都能使用 · 的工具，将化学带入一个新时代 — 实验 与理论能携手协力揭示分子体系的性质。 化学不再是一门纯实验科学了”
I2 在 光 滑 球 模 型
不 Ar 同溶 半剂 径中 光的 滑振 球动 内弛 豫 时 间
Radius / nm 1.2 1.5 1.8 2.2 Shift / cm-1 1.20 1.79 1.76 1.75
受限于不同半径的光滑球内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移
单 壁 碳 纳 米 管 模 型
Radius / nm Shift / cm-1
0.68 (10,10)
1.02 (15,15) 1.36 (20,20) 1.70 (25,25) 2.04 (30,30)
3.42
3.53 3.54 3.55 3.55
受限于不同半径的碳纳米管内I2在 Ar溶剂中的振动光谱位移密度为0.5 g/cm3
纳米反应器
自然界生命体系中的化学变化 绝佳的反应环境
R
+
R
R
R R
product shape selectivity
• “三十年前，如果说并非大多数化学家，那末至少 是有许多化学家嘲笑量子化学研究，认为这些工 作对化学用处不大，甚至几乎完全无用。现在的 情况却是完全两样了…。当90年代行将结束之际， 我们看到化学理论和计算研究的巨大进展，导致 整个化学正在经历一场革命性的变化。Kohn和 Pople是其中的两位最优秀代表”
1986：李远哲：“ 在十五年前，如果理论 结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错 了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。… 量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，
《分子模拟教程》课件
子动力学模拟
通过模拟分子的运动，研究分子在不同组态下的性质和行为。
2 蒙特卡洛模拟
使用随机抽样和统计方法，模拟分子在不同条件下的状态和性质。
3 量子化学计算
基于量子力学的数值计算方法，研究分子的结构和能量。
分子模拟在材料科学中的应用
材料设计
通过模拟分子的结构和性质，优化材料的性能和功能，加速新材料的研发。
《分子模拟教程》PPT课 件
本课件介绍了《分子模拟教程》的目的和内容，以及分子模拟在不同领域的 应用。
分子模拟的定义
分子模拟是利用计算机模拟分子和材料的行为和性质的过程。它可以帮助我们深入了解分子的结构、动 力学和相互作用。
分子模拟的基本原理
分子模拟基于物理和化学的基本原理，使用数值方法对分子进行模拟，考虑分子之间的相互作用和运动 规律。
界面和表面研究
模拟分子在材料表面和界面上的相互作用，深入了解材料的表面性质和反应过程。
电子器件模拟
通过分子模拟，优化电子器件的结构和性能，提高器件的效率和稳定性。
分子模拟在生物科学中的应用
蛋白质折叠
模拟蛋白质的折叠过程，揭示 其结构和功能之间的关系。
药物研发
通过分子模拟，筛选和设计新 药物，加速药物研发的过程。
细胞膜相互作用
研究分子在细胞膜上的相互作 用，理解细胞过程的基本机制。
结论和总结
分子模拟是一项重要的科学工具，可以帮助我们深入了解分子和材料的行为 和性质，推动科学研究和工程应用的发展。
通过模拟分子的运动，研究分子在不同组态下的性质和行为。
2 蒙特卡洛模拟
使用随机抽样和统计方法，模拟分子在不同条件下的状态和性质。
3 量子化学计算
基于量子力学的数值计算方法，研究分子的结构和能量。
分子模拟在材料科学中的应用
材料设计
通过模拟分子的结构和性质，优化材料的性能和功能，加速新材料的研发。
《分子模拟教程》PPT课 件
本课件介绍了《分子模拟教程》的目的和内容，以及分子模拟在不同领域的 应用。
分子模拟的定义
分子模拟是利用计算机模拟分子和材料的行为和性质的过程。它可以帮助我们深入了解分子的结构、动 力学和相互作用。
分子模拟的基本原理
分子模拟基于物理和化学的基本原理，使用数值方法对分子进行模拟，考虑分子之间的相互作用和运动 规律。
界面和表面研究
模拟分子在材料表面和界面上的相互作用，深入了解材料的表面性质和反应过程。
电子器件模拟
通过分子模拟，优化电子器件的结构和性能，提高器件的效率和稳定性。
分子模拟在生物科学中的应用
蛋白质折叠
模拟蛋白质的折叠过程，揭示 其结构和功能之间的关系。
药物研发
通过分子模拟，筛选和设计新 药物，加速药物研发的过程。
细胞膜相互作用
研究分子在细胞膜上的相互作 用，理解细胞过程的基本机制。
结论和总结
分子模拟是一项重要的科学工具，可以帮助我们深入了解分子和材料的行为 和性质，推动科学研究和工程应用的发展。
分子模拟PPT—第五章 分子动力学模拟运用
1 −E Pj E = ∑ E 2 e j ∑ j Q J j
2 j
k BT
kB ∂ −E =− E je j ∑ Q ∂ (1 T ) j
k BT
=−
kB ∂ ∂E ∂ ln Q ( EQ) = − k B − kB E Q ∂ (1 T ) ∂ (1 T ) ∂ (1 T )
2
∂E = k BT + E2 ∂T
ˆ′ ˆ ˆ ˆ C A (ν ) = A∗ (ν ) A(ν ) = A(ν ) ′ C A (τ ) = 1 2τ run
2τ run −1
2
(v = 0,1,L 2τ run − 1)
∑ ν
=0
ˆ A(ν ) exp(i 2πντ / 2τ run )
2
自相关函数的计算
傅里叶变换计算相关函数的步骤：
第五章
分子动力学模拟 计算的应用
本章内容
运动轨迹分析 热力学特性的计算 径向分布函数 相关函数的计算
运动轨迹分析
结构图像 （可视化图形软件) 几何参量的时间关系曲线 （grace，origin，excel）
键长： rab
= ( xa − xb )2 + ( ya − yb )2 + ( za − zb )2
∞
时间相关函数
物理意义：物理量随时间改变后与其起始的相关性 自相关函数
C A (t ) = A(t ) ⋅ A(0) = A(T + t ) ⋅ A(T ) CB (t ) = B(t ) ⋅ B(0) = B (T + t ) ⋅ B (T )
A ( t ) ⋅ A (0) C A (t ) C A (t ) = = C A (0) A (0) ⋅ A (0)
优选分子模拟的数学基础ppt
1.9.2 Periodic boundary condition
DC B
E
A
F GH
DC B
Eห้องสมุดไป่ตู้
A
F GH
Minimum image convention
In a cubic box, the cutoff distance is set equal to L/2.
Simulation of molecules in slit-like pore
1.9.4 Computer code for minimum image convention
Immediately after calculating a pair separation vector, we apply the code similar to the periodic boundary adjustments.
For example:
CVMGP(9, 0, 0)=9
CVMGP(9, 8, 2)=9
CVMGP(9, 8, -1)=8
The computer code for other shapes of simulation boxes can be found in program F1.
1.9.5 Non-periodic boundary methods
…compute I-j interaction ….as a functions of RIJSQI….
……
The function CVMGP(A,B,C) is a vector merge statement which returns to the value A if C is nonnegative and the value B otherwise.
分子模拟PPT—第三章 tinker软件包的使用
TINKER 主要文件
输入: •坐标文件: .xyz •参数文件: .prm •关键词文件: .key 执行文件: •Analyze, Newton, Dynamic ... 输出文件: •坐标文件: .xyz_2, .arc, .dyn ... •输出文件: .log
坐标文件
Total # of atoms Comments
应用实例
• Ar 溶液的能量最小化 minimize • 利用一级序列构建多肽enkephalin protein • 晶体NaCl的模型构建及晶格优化 crystal xtalmin • 1-n-丁基-3-甲基咪唑啉的结构优化振动频率分析 newton vibrate
minimize
• 交互式执行 1）直角坐标文件 argon.xyz (在同一路径下需要有 同名的key文件，否则需要显式给出） 2）收敛判据 （RMS per atom） • 后台执行 minimize <argon.run 在 argon.run 文件中 argon.xyz 0.01
Connectivity (atoms that it bonded to)
27 2 3 4 5 1 1 1 1 1 1 26 1 6 7 8 1 5 1 5 26 5 9 10 11 1 8 1 8 27 8 12 13 14 1 11 1 11 1 11
Atom index
Atom class
Atom class index
力场参数文件
bond bond bond bond bond angle angle angle angle angle torsion torsion torsion torsion torsion imptors imptors imptors imptors 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 5 5 5 1 268.0 1.5290 2 340.0 1.0900 5 317.0 1.5100 7 320.0 1.4100 9 268.0 1.5290 1 1 58.35 112.70 1 2 37.50 110.70 1 5 63.00 114.00 1 7 50.00 109.50 1 15 50.00 108.60 1 1 1 1.300 0.0 1 -0.050 180.0 2 0.200 0.0 3 1 1 2 0.300 0.0 3 1 1 12 1.711 0.0 1 -0.500 180.0 2 0.663 0.0 3 1 1 17 2.619 0.0 1 -0.620 180.0 2 0.258 0.0 3 1 1 21 -1.697 0.0 1 -0.456 180.0 2 0.585 0.0 3 5 5 1 2.200 180.0 2 5 5 6 2.200 180.0 2 5 5 10 2.200 180.0 2 43 5 6 2.200 180.0 2
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298K时： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=2.61 (10-8cm2/s) 水在尼龙6中： D=a/6=0.08 (10-8cm2/s) 323K时： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=2.92 (10-8cm2/s) 水在尼龙6中： D=a/6=0.18 (10-8cm2/s) 373K时： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=3.11 (10-8cm2/s) 水在尼龙6中： D=a/6=0.66 (10-8cm2/s)
小分子物质结构的影响
W．H．Jiang和姜珍考察了小分子物质的尺寸对扩散系数的影响，发现扩散物 质分子尺寸越大，扩散阻力也就越大，相应地扩散系数就越小。
聚合物结构和物理形态的影响
聚合物的结晶度越大，小分子物质在其中的扩散系数就会越小。聚合物的结构 形态对小分子物质在其中的扩散也有很大的影响，如在极性聚合物中极性分子 的扩散要比非极性分子的扩散容易，而在非极性聚合物中极性分子的扩散要比 非极性分子的扩散难。
.
7
6. 课题提出
实验法去测定小分子物质在聚合物体系中的扩散系 数有很多困难跟不足。
1.耗时长 2.误差大3.操作条件苛刻4.设备费用高 分子模拟法提供了材料的结构和动力学的细节
1.时间短2.精确度高3. 操作方便4.适用范围广
本实验就通过分子动力学（MD）模拟水分子在聚 乙烯醇和在聚酰胺（尼龙6）中的扩散行为，根据软 件的动力学分析来得到水分子在聚合物中扩散的均方 位移MSD，由得到的均方位移与时间的关系作图， 来得到水分子的扩散系数D。
.
12
建立无定形晶胞
a
b
图2.4聚合物的晶胞图，a-尼龙6的晶胞，b-聚乙烯醇晶胞
晶胞的驰豫
当一个无规则晶胞生成时，分子可能不是等价地分布在晶胞中，这样就造成了 真空区。为了矫正这个，要进行能量最小化来优化晶胞。最小化过后，要进行
分子动力学模拟来平衡晶胞。
分子动力学的运行和分析
分析水分子在晶胞中的移动情形，得到水分子在均方位移MSD.
.
8
二、实验部分
1、实验原理(扩散定律) 2、实验步骤
图2.1实验模拟工艺图
.
9
1、实验原理
扩散定律（fick第二定律）：
单位体积内粒子浓度随时间的变化：
考虑扩散系数受浓度的影响：
扩散系数与均方位移的关系：
扩散系数与均方位移的微分有关：
模拟得到MSD对时间的图，a代表MSD曲线的斜率，所以
.
.
4
2. 实验法测定的介绍（物理变化量）
本体平衡法
测定聚合物重量与时间的曲线，利用数学分析方法计算扩散系数
脉冲梯度场核磁共振法
某原子在两个脉冲时间间隔内在磁场中的回声振幅衰减而获得聚合 物体系中溶剂自扩散系数
激光全息技术
利用光的干涉原理将物体光波完全精确记录，并能使之再现还原的 二次成像技术
素 6. 课题提出
.
3
1.聚合物对水的阻隔性能表征
聚合物与水的相互作用的宏观表现： 1、阻水聚合物 没有明确的界限 2、吸水聚合物
对水的阻隔性或者吸附性的强弱主要是通过水的 透过量，水的吸附量或者水的扩散程度来衡量。
水的阻隔性---扩散系数D（水在聚合物中的扩散）
本质：水在聚合物中的运动（吸附，扩散）实际 上是一种传质现象，它服从fick第二定律。
.
17
3.2活化能的计算
扩散系数与温度的关系符合Arrhenius方 程：
D=D0exp（-Ed/RT）或lnD=lnD0- Ed/RT 以lnD对1/T作图，由斜率可求出活化能Ed。
a
b
图3.2聚合物中lnD与T的关系，a-聚乙烯醇，b-尼龙6
.
18
四、结论
1.温度越高扩散越快。 随着温度的升高， 水在聚乙烯醇中和尼龙6中的扩散系数都 增加。
.
5
3. 分子动力学模拟法的介绍
量子化学法 分子动力学法 分子力学法
4.分子模拟中扩散系数的测定方法
Einstein法 微分一区限变分法 聚类分析法
.
6
5.影响小分子物质（水）在聚合物 中扩散系数的因素
温度的影响
W．H．Jiang和姜珍等报道了温度对扩散系数的影响，发现温度越高扩散系数 越 大，这是由于温度的升高加剧了分子运动。
.
19
本论文是在王孟老师的悉心指导下进行的，在论文的完成过程中 ，从论文的选题到实验的完成，以及论文写作都给予了大量的指 导。尤其是在实验过程中，由于实验采用了新的模拟软件，同学 都不熟悉，王老师给了悉心的指导。不论是在操作程序上还是理 论方面王老师给了大量的帮助，让我逐步了解了实验。论文完成 过程中，班上的很多同学都给了我很大的帮助，是各位老师和同 学的大力支持和无私帮助使我的这篇论文能够顺利地完成。特在
.
16
3.1实验结果与分析
水在不同温度下在两种聚合物中的扩散系数：
温度T
293.15K 303.15K 323.15K
水在聚乙烯醇中的扩散系数 D(10-8cm2/s) 2.61 2.92 3.11
水在尼龙6中的扩散系数 D(10-8cm2/s) 0.08 0.18 0.66
表中数据我们通过1.建立初始结构 2.建立无定形晶胞 3.进行晶胞的驰豫 4.分子动力学的运行和分析 5.输出数据并计算扩散系数D
组成 调节 运行 计算
.
11
建立初始结构
a
b
c
图2.2 建立的初始结构，a-水分子，b-尼龙6，c-聚乙烯醇
优化结构
a
b
图2.3优化的结构图，a-尼龙6，b-聚乙烯醇
2.极性越大水的扩散越快。水是极性分子， 聚乙烯醇中含有亲水基团，极性大，水在 其中的扩散要快一些。
3. 活化能越大则扩散受温度的影响越敏感。
水在PVA中的扩散活化能为9.974kJ/mol，
水在尼龙6中的扩散活化能为26.059
kJ/mol，表明随着温度的增加，水在尼龙
6中的扩散的变化要大一些。
高分子树脂 对水的阻隔性能研究
余勇 指导老师:王孟
化学化工学院 高分子材料与工程专业071班
.
1
大纲
一.前言 二.实验部分 三.结果与讨论 四.结论
.
2
一. 前言
1.聚合物对水的阻隔性能表征 2.实验法测定的介绍 3. 分子动力学模拟法的介绍 4.分子模拟中扩散系数的测定方法 5.影响小分子物质在聚合物中扩散系数的因
.
13
输出数据并计算扩散系数
293.15K
303.15K
323.15K
图2.6不同温度下水分子在聚乙烯醇中均方位移随时间的变化
.
14
293.15K
303.15K
323.15K
图2.7 不同温度下水分子在尼龙6中均方位移随时间的变化
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15
三、结果与讨论
1、实验结果与分析 2、活化能的计算
小分子物质结构的影响
W．H．Jiang和姜珍考察了小分子物质的尺寸对扩散系数的影响，发现扩散物 质分子尺寸越大，扩散阻力也就越大，相应地扩散系数就越小。
聚合物结构和物理形态的影响
聚合物的结晶度越大，小分子物质在其中的扩散系数就会越小。聚合物的结构 形态对小分子物质在其中的扩散也有很大的影响，如在极性聚合物中极性分子 的扩散要比非极性分子的扩散容易，而在非极性聚合物中极性分子的扩散要比 非极性分子的扩散难。
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6. 课题提出
实验法去测定小分子物质在聚合物体系中的扩散系 数有很多困难跟不足。
1.耗时长 2.误差大3.操作条件苛刻4.设备费用高 分子模拟法提供了材料的结构和动力学的细节
1.时间短2.精确度高3. 操作方便4.适用范围广
本实验就通过分子动力学（MD）模拟水分子在聚 乙烯醇和在聚酰胺（尼龙6）中的扩散行为，根据软 件的动力学分析来得到水分子在聚合物中扩散的均方 位移MSD，由得到的均方位移与时间的关系作图， 来得到水分子的扩散系数D。
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建立无定形晶胞
a
b
图2.4聚合物的晶胞图，a-尼龙6的晶胞，b-聚乙烯醇晶胞
晶胞的驰豫
当一个无规则晶胞生成时，分子可能不是等价地分布在晶胞中，这样就造成了 真空区。为了矫正这个，要进行能量最小化来优化晶胞。最小化过后，要进行
分子动力学模拟来平衡晶胞。
分子动力学的运行和分析
分析水分子在晶胞中的移动情形，得到水分子在均方位移MSD.
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二、实验部分
1、实验原理(扩散定律) 2、实验步骤
图2.1实验模拟工艺图
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1、实验原理
扩散定律（fick第二定律）：
单位体积内粒子浓度随时间的变化：
考虑扩散系数受浓度的影响：
扩散系数与均方位移的关系：
扩散系数与均方位移的微分有关：
模拟得到MSD对时间的图，a代表MSD曲线的斜率，所以
.
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2. 实验法测定的介绍（物理变化量）
本体平衡法
测定聚合物重量与时间的曲线，利用数学分析方法计算扩散系数
脉冲梯度场核磁共振法
某原子在两个脉冲时间间隔内在磁场中的回声振幅衰减而获得聚合 物体系中溶剂自扩散系数
激光全息技术
利用光的干涉原理将物体光波完全精确记录，并能使之再现还原的 二次成像技术
素 6. 课题提出
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1.聚合物对水的阻隔性能表征
聚合物与水的相互作用的宏观表现： 1、阻水聚合物 没有明确的界限 2、吸水聚合物
对水的阻隔性或者吸附性的强弱主要是通过水的 透过量，水的吸附量或者水的扩散程度来衡量。
水的阻隔性---扩散系数D（水在聚合物中的扩散）
本质：水在聚合物中的运动（吸附，扩散）实际 上是一种传质现象，它服从fick第二定律。
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3.2活化能的计算
扩散系数与温度的关系符合Arrhenius方 程：
D=D0exp（-Ed/RT）或lnD=lnD0- Ed/RT 以lnD对1/T作图，由斜率可求出活化能Ed。
a
b
图3.2聚合物中lnD与T的关系，a-聚乙烯醇，b-尼龙6
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四、结论
1.温度越高扩散越快。 随着温度的升高， 水在聚乙烯醇中和尼龙6中的扩散系数都 增加。
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3. 分子动力学模拟法的介绍
量子化学法 分子动力学法 分子力学法
4.分子模拟中扩散系数的测定方法
Einstein法 微分一区限变分法 聚类分析法
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5.影响小分子物质（水）在聚合物 中扩散系数的因素
温度的影响
W．H．Jiang和姜珍等报道了温度对扩散系数的影响，发现温度越高扩散系数 越 大，这是由于温度的升高加剧了分子运动。
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本论文是在王孟老师的悉心指导下进行的，在论文的完成过程中 ，从论文的选题到实验的完成，以及论文写作都给予了大量的指 导。尤其是在实验过程中，由于实验采用了新的模拟软件，同学 都不熟悉，王老师给了悉心的指导。不论是在操作程序上还是理 论方面王老师给了大量的帮助，让我逐步了解了实验。论文完成 过程中，班上的很多同学都给了我很大的帮助，是各位老师和同 学的大力支持和无私帮助使我的这篇论文能够顺利地完成。特在
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3.1实验结果与分析
水在不同温度下在两种聚合物中的扩散系数：
温度T
293.15K 303.15K 323.15K
水在聚乙烯醇中的扩散系数 D(10-8cm2/s) 2.61 2.92 3.11
水在尼龙6中的扩散系数 D(10-8cm2/s) 0.08 0.18 0.66
表中数据我们通过1.建立初始结构 2.建立无定形晶胞 3.进行晶胞的驰豫 4.分子动力学的运行和分析 5.输出数据并计算扩散系数D
组成 调节 运行 计算
.
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建立初始结构
a
b
c
图2.2 建立的初始结构，a-水分子，b-尼龙6，c-聚乙烯醇
优化结构
a
b
图2.3优化的结构图，a-尼龙6，b-聚乙烯醇
2.极性越大水的扩散越快。水是极性分子， 聚乙烯醇中含有亲水基团，极性大，水在 其中的扩散要快一些。
3. 活化能越大则扩散受温度的影响越敏感。
水在PVA中的扩散活化能为9.974kJ/mol，
水在尼龙6中的扩散活化能为26.059
kJ/mol，表明随着温度的增加，水在尼龙
6中的扩散的变化要大一些。
高分子树脂 对水的阻隔性能研究
余勇 指导老师:王孟
化学化工学院 高分子材料与工程专业071班
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大纲
一.前言 二.实验部分 三.结果与讨论 四.结论
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2
一. 前言
1.聚合物对水的阻隔性能表征 2.实验法测定的介绍 3. 分子动力学模拟法的介绍 4.分子模拟中扩散系数的测定方法 5.影响小分子物质在聚合物中扩散系数的因
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13
输出数据并计算扩散系数
293.15K
303.15K
323.15K
图2.6不同温度下水分子在聚乙烯醇中均方位移随时间的变化
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14
293.15K
303.15K
323.15K
图2.7 不同温度下水分子在尼龙6中均方位移随时间的变化
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三、结果与讨论
1、实验结果与分析 2、活化能的计算