最新实验四：介观动力学模拟_27396

介观尺度模拟方法在材料科学中的应用实例

介观尺度模拟方法在材料科学中的应用实例材料科学是一门研究材料性质和结构以及其在各种工程应用中的表现的学科。

随着计算机技术和模拟方法的进步，介观尺度模拟方法逐渐成为材料科学研究中的重要手段之一。

本文将以介观尺度模拟方法在材料科学中的应用实例为主题，深入探讨其在材料领域的价值和意义。

材料的性质和行为是由微观结构和相互作用决定的，而微观结构又受到材料的制备工艺和条件的影响。

传统实验方法难以直接观测和控制材料微观结构，而介观尺度模拟方法则能够通过物理和数学模型模拟材料的微观结构和行为，帮助研究人员深入了解和预测材料的性质和行为。

在材料科学中，介观尺度模拟方法主要包括分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）、蒙特卡罗模拟（Monte Carlo, MC）、相场方法（Phase Field Methods, PFM）、格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Methods, LBM）等。

这些方法基于不同的理论和原理，适用于不同的材料以及不同尺度和时间范围的模拟问题。

以分子动力学模拟为例，该方法利用牛顿运动方程对材料中原子或分子的运动进行模拟。

通过分子动力学模拟，可以研究和预测材料的微观结构、热力学性质、力学性能等。

比如，研究人员可以通过模拟黏土材料中水分子与黏土颗粒之间的相互作用，进一步理解黏土的力学行为和水分迁移特性。

蒙特卡罗模拟则利用随机抽样和概率统计方法，研究材料中的随机过程和热力学平衡。

例如，在合金材料中，研究人员可以通过蒙特卡罗模拟来预测不同元素的分布和相互作用，为合金材料的设计和优化提供指导。

相场方法是一种基于自由能的连续介观模型，广泛应用于界面和相变等领域的研究。

相场方法能够描述材料的相分离、晶体生长和相界面的演化。

研究人员可以利用相场模拟来研究复杂体系中的相变行为，例如合金凝固、聚合物相分离等。

格子玻尔兹曼方法是一种基于微观粒子动力学的介观模拟方法，适用于模拟多孔介质中流体的传输行为。

分子动力学模拟(二)2024

分子动力学模拟（二）引言概述:分子动力学模拟是一种通过模拟分子之间相互作用力和相对位置的方法，来研究系统在不同条件下的动力学行为的技术。

本文将继续探讨分子动力学模拟的应用领域并深入介绍其在材料科学、生物医学和化学等领域的具体应用。

一、材料科学中的分子动力学模拟1. 分子结构与性质的研究1.1 分子间相互作用力的模拟与计算1.2 晶体缺陷与物理性质的关联1.3 材料相变的模拟及驱动机制的研究1.4 纳米材料的热力学性质模拟1.5 材料表面与界面的模拟研究2. 材料设计与优化2.1 基于分子动力学模拟的材料设计方法2.2 优化材料的结构与性能2.3 基于计算的高通量材料筛选2.4 分子动力学模拟在材料工程中的应用案例2.5 材料仿真与实验的结合二、生物医学中的分子动力学模拟1. 蛋白质结构与功能的研究1.1 蛋白质折叠和构象转变的模拟1.2 水溶液中蛋白质的动力学行为1.3 药物与蛋白质的相互作用模拟1.4 多肽和蛋白质的动态模拟1.5 分子动力学模拟在药物设计中的应用2. 病毒与细胞相互作用的模拟2.1 病毒与宿主细胞的相互识别与结合2.2 病毒感染过程的动态模拟2.3 细胞信号传导的分子动力学模拟2.4 细胞内各组分的动态行为模拟2.5 分子动力学模拟在生物药物研发中的应用三、化学中的分子动力学模拟1. 化学反应的机理研究1.1 反应路径与转变态的模拟1.2 温度和压力对反应速率的影响1.3 催化反应的模拟与优化1.4 化学反应中的动态效应模拟1.5 化学反应机理的解析与预测2. 溶液中的分子行为模拟2.1 溶剂效应的模拟与计算2.2 溶液中的分子运动与扩散2.3 溶液界面的分子动力学模拟2.4 溶液中的化学平衡与反应行为2.5 分子动力学模拟在化学合成与设计中的应用总结：分子动力学模拟在材料科学、生物医学和化学等领域具有广泛的应用前景。

通过模拟分子间交互作用力和相对位置的变化，可以深入研究分子系统的动力学行为，为材料设计、药物研发和化学反应机理的解析提供重要参考。

水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验实验报告

水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验报告引言介观结构是指介于宏观和微观之间的结构，针对水溶液而言，介观结构更加关注溶质与溶剂分子之间的相互作用以及溶解过程中的形成机理。

为了更好地理解和研究水溶液的介观结构和形成机理，我们进行了虚拟仿真实验，并撰写了本报告。

实验目的1.探究水溶液中溶质与溶剂分子的相互作用；2.研究水溶液中溶解过程的形成机理；3.分析水溶液的介观结构。

实验方法1.选择适当的分子模拟软件，如LAMMPS、GROMACS等；2.构建模拟系统，包括溶质和溶剂分子，根据需要可以添加离子等其他分子；3.设定模拟参数，如温度、压力、模拟时间等；4.进行模拟实验，观察模拟系统中溶质与溶剂分子的相互作用和溶解过程；5.分析实验数据，得出结论。

实验结果与讨论溶质与溶剂分子的相互作用通过模拟实验，我们观察了水溶液中溶质分子和溶剂分子的相互作用。

通过分子间力场势能计算，我们可以得知不同溶质与溶剂之间的相互吸引或排斥程度。

实验结果显示，极性溶质通常与水分子有较强的相互作用，而非极性溶质则往往与油脂类分子等非极性溶剂有较好的相容性。

水溶液的溶解过程形成机理溶解是指溶质分子与溶剂分子之间的相互作用，导致溶质分子离开固体相形成溶液的过程。

通过模拟实验，我们可以观察到溶质分子逐渐与溶剂分子发生相互作用，直至完全稳定分散在溶剂中。

实验结果显示，在溶解过程中，溶质分子与溶剂分子之间形成了氢键、离子键或范德华力等相互作用，这些相互作用力有助于稳定溶解过程。

水溶液的介观结构介观结构是指介于宏观和微观之间的结构，研究水溶液的介观结构可以帮助我们了解溶质在溶剂中的分布情况。

通过模拟实验，我们可以观察到水溶液中溶质分子的聚集行为，如形成微乳液或胶体颗粒等。

实验结果表明，溶质分子的结构和溶液中的温度、浓度等因素密切相关，不同的条件下溶质分子会表现出不同的自组装行为。

结论通过虚拟仿真实验，我们深入研究了水溶液的介观结构与形成机理。

实验四：介观动力学模拟

《计算材料学》实验讲义粗粒度模拟实验名称：介观动力学模拟一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。

由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。

目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。

其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。

（1）MS-Mesocite简介MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。

MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。

MS Mesocite 的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。

介观化学体系中的动力学尺度效应

介观化学体系中的动力学尺度效应侯中怀辛厚文1中国科学技术大学化学物理系安徽合肥 230026摘要：以生命和表面催化体系为对象，研究了介观化学体系中，内涨落对体系非线性动力学行为的调控作用。

发现内涨落可以诱导随机振荡，其强度在体系处于最佳尺度时会出现一个甚至多个极大值，并且在耦合体系中会得到进一步增强，表现为尺度共振效应，尺度选择效应和双重尺度效应，揭示了介观化学体系中尺度效应的新机制。

一引言近年来，随着化学研究的对象向生命和纳米体系的深入，介观化学体系动力学规律的研究，已成为受到广泛关注的前沿课题。

按照传统的宏观反应动力学理论，体系的状态()i X t 随着时间的演化规律，可以用如下的确定性方程来描述[1,2]： 1()(,...,), (1,...,)i i N dX t f X X i N dt== (1.1) ，其中()i X t 表示第i 种物质在t 时刻的分子数目。

但是当体系的尺度V 小到介观尺度时，体系的内涨落显著增长，此时1()((),...,())N t X t X t ≡X 已成为离散的随机变量，宏观确定性方程(1.1)不再有效，体系状态的演化需要用随机动力学方程来描述[3,4]。

化学体系在远离平衡的条件下，由体系中非线性过程的作用,可以形成化学振荡，化学波，化学混沌等多种非线性动力学行为。

在生命体系和表面催化等复杂化学体系中，实验上已经发现了大量的非线性动力学行为的例子，如CO 在单晶催化剂表面的反应速率振荡[5]，合成基因网络中的蛋白质浓度振荡[6]，细胞内及细胞间钙离子浓度的振荡[7]，纳米粒子催化剂表面的反应速率振荡等[8]。

这些非线性化学现象，对于表面催化和生命体系的实际功能，如基因表达、钙信号的传递、催化活性和选择性等，有着重要的调控作用。

传统上，对这些化学振荡行为都是用形如(1.1)的宏观确定性方程来描述。

但是如前所述，对于亚细胞水平以及纳米粒子表面进行的化学反应，宏观确定性方程不再适用，而应当代之以介观层次的随机动力学方法。

介观尺度的计算模拟方法

介观尺度的计算模拟方法摘要：一、引言1.介观尺度的概念及重要性2.计算模拟方法的必要性二、介观尺度计算模拟方法的基本原理1.计算方法概述2.模拟方法概述三、常见介观尺度计算模拟方法1.分子动力学模拟2.蒙特卡洛模拟3.有限元分析四、介观尺度计算模拟方法的应用领域1.材料科学2.生物医学3.环境工程五、我国在介观尺度计算模拟领域的研究进展1.政策支持与资金投入2.代表性研究成果与团队六、面临的挑战与未来发展方向1.计算资源与算法优化2.数据驱动与人工智能的融合3.多尺度、多物理场的耦合模拟正文：一、引言随着科学技术的不断发展，介观尺度的研究越来越受到广泛关注。

介观尺度作为微观世界与宏观世界的桥梁，不仅具有理论价值，而且在新材料、生物医学、环境工程等领域具有广泛的应用前景。

为了深入研究介观尺度的性质和规律，计算模拟方法应运而生。

本文将介绍介观尺度的计算模拟方法及其在我国的研究进展。

二、介观尺度计算模拟方法的基本原理介观尺度计算模拟方法主要包括计算方法和模拟方法。

计算方法主要包括第一性原理计算、密度泛函理论等，通过求解微观粒子间的相互作用方程，获得介观尺度的物理性质。

模拟方法则是通过构建介观尺度的模型，借助计算机技术模拟实际系统的演化过程，从而揭示其宏观性质。

三、常见介观尺度计算模拟方法1.分子动力学模拟：通过求解牛顿方程，模拟分子在介观尺度下的运动轨迹，从而研究系统的热力学性质和力学行为。

2.蒙特卡洛模拟：通过随机抽样方法，模拟粒子在介观尺度下的输运过程，分析系统的统计性质。

3.有限元分析：将介观尺度问题分解为有限个单元，利用数值方法求解单元内的场变量，从而获得整个系统的宏观性能。

四、介观尺度计算模拟方法的应用领域1.材料科学：通过计算模拟研究新材料的力学、热学、电学等性能，为材料设计提供理论依据。

2.生物医学：模拟细胞、组织等生物体系的结构和功能，揭示疾病发生和发展机制，为药物研发和治疗方法提供指导。

水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验实验报告(一)

水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验实验报告(一)水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验实验报告作为一名资深的创作者，我参与了一项有关“水溶液的介观结构与形成机理”的虚拟仿真实验。

以下是我的实验报告：实验目的通过虚拟仿真实验，探究水溶液的介观结构和形成机理，深入了解水分子之间的相互作用力和溶质分子在水溶液中的行为。

实验内容1.创建模拟环境：使用LAMMPS软件建立水溶液的模拟环境，并设定合适的模拟时间和温度。

2.模拟分析：使用VMD软件对模拟结果进行可视化分析，了解水分子的分布和运动情况。

3.数据处理：使用Origin软件对模拟数据进行处理和分析，如可视化绘制分子轨迹、径向分布函数等。

实验结果1.水分子的分布：通过VMD软件观察发现，水分子围绕着溶质分子形成水合壳，形成一定的结构化网络。

2.水分子的运动：水分子在水溶液中的运动方式比较复杂，既有碰撞，又有相互作用力的作用，影响其运动轨迹和速度。

3.溶质分子的行为：溶质分子具有特定的亲疏水性质，在水溶液中可能会发生溶解、离解、水合等行为。

实验结论通过本次虚拟仿真实验，我们深入了解了水溶液介观结构的形成机理及其影响因素，水分子之间相互作用力和溶质分子的行为规律。

这对于我们更好地理解水和溶液的性质、探索化学与生命科学等领域的研究具有重要的意义。

实验优缺点优点1.虚拟仿真实验提供了一种安全、经济、高效的实验方法，避免了实验中可能会出现的安全风险和高成本的实验费用。

2.虚拟仿真实验可以帮助我们更好地了解和掌握真实实验的基本原理和实验流程，提高实验操作技能和实验设计能力。

3.虚拟仿真实验促进了实验教学方法的创新，更加注重学生的实践和体验，激发了学生的兴趣和学习动力。

缺点1.虚拟仿真实验同真实实验相比存在着一定的模型简化和误差不确定性的问题，可能会影响实验的准确性和可靠性。

2.虚拟仿真实验可能会缺少一些真实实验所具有的情境感、主观感受等因素，不利于学生对实验过程的深入思考和综合评价。

实验四：介观动力学模拟_27396教学内容

实验四：介观动力学模拟_27396《计算材料学》实验讲义实验八：介观动力学模拟一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。

由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微秒）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。

目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。

其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。

（1）MS-Mesocite简介MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。

MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。

MS Mesocite的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。

SBA.15分子筛形成过程的介观动力学模拟及实验研究

高校化学工程学报２０１０年６月文所用到的珠子之间的Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ参数。

坐标系的选取：ｘ轴为流速方向，ｙ轴为速度梯度方向，ｚ轴为中性轴。

程序实现的是稳恒剪切（Ｕｎｉｆｏｒｍｓｔｅａｄｙｓｈｅａｒ），即速度梯度是均匀的：ｄｕ／ｄｒｙ＝０Ｙ为定值。

模拟盒子大小为３２ｎｍｘ３２姗ｘ３２ｎｍ，珠子之间的键长为ｄ＝ａｈ－１＝１．１５４３（口是指Ｇａｕｓｓｉａｎ键长，ｈ是网格大小），扩散系数１０－７ｃｍ２·ｓ－１。

体系的噪音系数Ｑ三Ｖ－１ｈ３＝７５．０１９（Ｖ为珠子的体积），模拟步长加＝５０ｌｌＳ。

总的模拟时间为１．０ｍｓ（共计２００００步）。

模拟任务由分子模拟软件ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ。

中的ＭｅｓｏＤｙｎ模块完成。

３实验部分３．１试剂与仪器三嵌段共聚物Ｐ１２３（ＰＥ０２０ＰＰ０７０ＰＥ０２０，平均分子量为５８００，Ａｌｄｒｉｃｈ），正硅酸乙酯（分析纯，ＡｌｆａＡｅｓａｒ），盐酸（分析纯，广州市东红化工有限公司），ＮａＣＩ（分析纯，天津市百世化工有限公司），乙醇（分析纯，天津市富宇精细化工有限公司），去离子水（实验室自制）。

Ｄ８Ａｄｖａｎｃｅ（Ｂｒｕｋｅｒ）Ｘ射线衍射仪（ＣｕＫｃｔｒａｄｉａｔｉｏｎ，４０ｋＶ，４０ｍＡ）：Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ公司ＡＳＡＰ２０１０Ｍ氮气吸．脱附测定仪（７７Ｋ条件下Ｎ２吸．脱附）；ＪＥＭ－２０１０ＨＲ透射电子显微镜（－ｒ作电压２００ｋＶ）。

３．２合成步骤本文以三嵌段共聚物Ｐ１２３（ＰＥ０２０ＰＰ０７０ＰＥ０２０）为模板剂，正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）为硅源试剂，采用水热合成的方法制备得到高质量的硅基有序介孔分子筛ＳＢＡ．１５。

合成步骤如下：精确称取１．０ｇＰ１２３于锥形瓶中，加入２５ｍＬ去离子水，在３０３Ｋ条件下剧烈搅拌，依次缓慢加入２５ｍＬ４ｔ００１．Ｌ－１盐酸、０．８４３ｇＮａＣＩ，体系充分搅拌混合４ｈ后逐滴加入２．１４ｍＬ硅酸物种，在３０３Ｋ条件下持续搅拌老化２４ｈ。

介观物理的理论和实验研究

介观物理的理论和实验研究介观物理是物理学中的一个重要分支，其研究对象是介于微观和宏观之间的物理现象。

在介观物理研究中，理论和实验相辅相成，互相促进，以期深入理解物质结构与性质之间的关系。

一、介观物理的概述介观物理是介于微观和宏观之间的一个领域，其研究的对象通常是尺寸在10纳米到100微米之间的物质。

这个范围是物理学研究中的一个关键阶段，因为在这个尺度范围内，物质的性质既受到微观粒子的影响，又是宏观特征的总和。

二、介观物理的研究方法1. 数学模型：介观物理的研究往往要依靠数学模型。

对于这些模型，需要进行分析和仿真以确定其行为。

2. 实验室技术：介观物理的实验通常需要使用精密仪器和技术。

例如，扫描电子显微镜和隧道电子显微镜可用于观察纳米尺寸的物体。

3. 计算机模拟：介观物理的研究还需要使用计算机模拟，以模拟和预测物质在不同条件下的行为。

三、介观物理的实验研究1. 纳米光学纳米光学是一种利用纳米结构改变光学行为的方法。

这项技术广泛应用于光学传感和纳米光子学方面。

具体应用包括生物传感器和开发新型电子元器件等。

2. 硅纳米加工硅纳米加工是一种主要用于设计微机电系统（MEMS）和纳米器件的加工技术。

其特点是使用光刻技术将图案从光刻掩模转移到硅表面，然后进行干法或湿法刻蚀，最终形成所需形状和结构。

3. 纳米电子学纳米电子学是一种利用纳米尺寸的器件构造电子元器件的技术。

在纳米电子学中，晶体管的尺寸越来越小，从而提高了芯片的集成度，改善了芯片性能。

四、介观物理的理论研究1. 介观物质的物理学介观物质的物理学是一种研究介观尺度物质的物理性质和现象的学科。

其主要研究内容包括介观物质的电学、热学、力学、光学和磁学等方面。

2. 介观体系的非平衡动力学介观体系的非平衡动力学是研究复杂介观体系的运动方式和动力学行为的学科。

此类体系通常有着高度相互耦合的成分，其动态行为充满了干扰和杂乱。

3. 海森堡模型海森堡模型是一种描述量子自旋介质行为的数学模型。

介观系统中的动力学特性及其研究方法分析

介观系统中的动力学特性及其研究方法分析一、概述二、介观系统中常见的动力学过程1. 扩散动力学2. 点过程3. 脉冲过程三、介观系统动力学特性的研究方法1. 普适性特征分析2. 时间序列分析3. 空间格点模型四、结论概述介观系统是指介于微观和宏观系统之间的一类系统，它具有大量的微观粒子组成，但又不足以被视为宏观系统。

介观系统广泛存在于物理、化学和生物学等不同领域，并在这些领域中发挥着重要作用。

介观系统中常见的动力学过程介观系统中常见的动力学过程包括扩散动力学、点过程和脉冲过程等。

扩散动力学扩散动力学是介观系统中最常见的动力学过程之一。

它可以用于描述分子、热量和其他物质分布不均的系统中的扩散行为。

扩散过程产生了很多基本性质，例如Fick定律以及扩散方程等，并在材料科学、生物学等领域中得到广泛应用。

点过程点过程是介观系统中的另一种重要动力学过程。

它通常用于描述许多小系统中粒子数量的变化。

例如，在生物学中，它可以用于描述细胞生长和分裂过程。

点过程产生了很多与计数统计学相关的基本性质，比如泊松分布等。

脉冲过程脉冲过程是介观系统动力学中的另一类过程，它通常描述的是介观系统中的能量/物质的传输过程。

脉冲过程可以包含许多不同的物理现象，如传热现象和传输线的模拟等等。

介观系统动力学特性的研究方法介观系统中的动力学特性通常会采用普适性特征分析、时间序列分析和空间格点模型等研究方法。

普适性特征分析普适性特征分析是介观系统动力学研究中最常用的方法之一。

它通过分析系统在不同大小/时间尺度上的特征来研究介观系统动力学特性。

这种方法的主要思想是，即使系统的微观细节可能不同，介观尺度下的某些特征可能是相似的。

时间序列分析另一种常用的介观系统动力学特性分析方法是时间序列分析。

该方法旨在描述一个时间序列中某些统计特征的行为方式。

这种方法可以描述系统的周期性、趋势以及随机性，是描述许多物理系统动力学过程的常见方法。

空间格点模型空间格点模型是另一种常用的介观系统动力学特性分析方法。

模拟化学驱微观渗流的介观方法

文献标识码：Ａ文章编号：００—１９（Ｏ１０ —０４ —０１０８１２１）５０９５
中图分类号：３７４ＴＥ５．
０引言
采用化学驱提高石油采收率被实践证明是符合我国油田实际的技术手段，于推广应用阶段，处研究内容包括高效驱油剂分子结构的设计和合成、验评价、实油藏数值模拟等口，］是研究尺度不断放大的过程．考虑分子化学和油藏工程存在明显尺度差异，能简单地将分子层面的结论推广到油藏工程研究上，不目前这一尺度的过渡工作只能通过实验手段完成，能将驱油剂分子行为和油藏渗流联系起来的跨尺度理论和
质量和速度的特征值选取截断距离ｒ、。粒子质量ｍ。和流场特征速度Ｕ，有：。则
『－面（＋－一ＵＩ
式ｅ（一）一．
，
（３）
户为流场特征速度与流体拟粒子热运动速度之比，数值越大，明流体水动力学因素影响增强，其表热
理
论
图１多尺度的渗流理论框架
耗散力和随机力满足耗散定理的关系为
＝２ｂ叫。一［］＝１ｒ）豫Ｔ；＝＝（一ｒ／，，
式中：为玻尔兹曼常数；ｔ志Ｔ为流体绝对温度．
（）２
式（）（）１和２中物理量的量纲采取国际标准单位，实际模拟时常采用一套量纲一的单位体系．在长度、

PP与PA6共混相容性的分子、介观动力学模拟

第17卷第23期2017年8月1671—1815(2017)23-0013-05科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol. 17 No.23 Aug.2017©2017 Sci.Tech.Engrg.化学PP与PA6共混相容性的分子、介观动力学模拟吴飞杨帆张鹏李彦周陈占春*(太原理工大学机械工程学院，煤矿综采装备山西省重点实验室，太原030024)摘要运用分子动力学（MD)和介观动力学（MesoDyn)方法，分别从微观和介观层面研究不同PP/PA6(10/90、30/70、50/ 50、70/30、90/10)共混比的相容性和结构相貌。

M D模拟中比较Flory-Huggins参数(h B)和临界作用参数(价）以及分子间C-C 原子对径向分布函数。

结果显示：当PP/PA6混合比为10/90和90/10时相容性较好，其他混合比的相容性很差。

为获得介观层次混合体系的相貌结构，运用M esoDyn方法研究混合物平衡态的等密度图并计算混合物的有序度参数，结果发现:PP/ PA6共混比为10/90和90/10时混合物有序度参数略小于0. 1;而其他混合比体系的有序度参数都大于0. 1，介观模拟得到的结果和微观模拟的结果高度一致，验证了计算机模拟的准确性。

关键词分子动力学模拟介观动力学模拟相容性中图法分类号0641.3; 文献标志码A微观结构和介观形态决定了高分子合金的综合性能，开发优良高分子合金的关键是控制其微观形态结构。

然而，实验过程中聚合物相变化的时间很短，难以准确地探究相分离的机制。

近年来随着分子模拟技术的快速发展，分子动力学方法（MD)和介观动力学方法（MesoDyn)在聚合物共混领域的应用受到越来越多的关注[1_3]。

虽然MD方法可以在分子水平上探究分子间的相互作用机理，但是模拟的时间尺度和空间尺度很小；MesoDyn模拟能够在较大的空间和时间尺度上模拟共混体系的流变行为、介观相貌和相分离过程，但是无法获得分子间相互作用的细节。

实验四：介观动力学模拟_27396

《计算材料学》实验讲义实验八：介观动力学模拟一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。

由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微秒）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。

目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。

其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。

（1）MS-Mesocite简介MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。

MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。

MS Mesocite的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。

实验四：介观动力学模拟_27396

《计算材料学》实验讲义实验八：介观动力学模拟一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。

由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微秒）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。

目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。

其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。

（1）MS-Mesocite简介MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。

MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。

MS Mesocite 的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。

介观尺度聚合物动力学模拟

介观尺度聚合物动力学模拟一、介绍随着化学、物理、材料学等科学领域的不断发展，液体聚合物在材料、生物、化学等领域广泛应用，但其微观结构和动力学行为的研究仍需发展。

介观尺度聚合物动力学模拟是一种能够研究聚合物微观结构和动力学行为的研究方法，该方法已经得到广泛应用。

本文将介绍介观尺度聚合物动力学模拟的基本原理、研究方法、应用及发展前景。

二、基本原理介观尺度聚合物动力学模拟是一种从宏观到微观的多尺度计算方法，用于模拟聚合物的结构和动力学行为。

该方法通常采用一种统计物理学的方法，将聚合物视为粗粒子或连续介质，通过计算微观单位的运动动力学行为，模拟了宏观过程中的动力学行为。

基于介观尺度聚合物动力学模拟的理论，可以从单分子、分子集聚形成高分子结构，再到整个复杂的聚合物体系进行模拟和预测其在可控条件下调控过程中的行为。

这一过程涉及到多种计算方法，如分子动力学方法、Monte Carlo方法和随机游动方法等。

三、研究方法1. 分子动力学方法分子动力学方法是一种基于牛顿力学的计算方法，用于模拟固体、液体和气体等多种物质的运动。

在聚合物的模拟中，该方法将聚合物视为粗粒子模型，通过计算聚合物的粗粒子在接触后受到的力和运动，模拟整个聚合物体系的运动。

在这个过程中，需要考虑很多因素，如聚合物粗粒子模型的设计，体系温度、体积、压强和模拟时间等等。

2. Monte Carlo方法Monte Carlo方法是一种基于统计学的计算方法，在聚合物模拟中主要用于计算高分子的构象，这种构象指聚合物分子的不同排列方式和空间位置。

在聚合物模拟中，采用基于Metropolis算法的Monte Carlo方法，通过调整聚合物分子的取向和位置，模拟整个高分子结构的构象状态。

3. 随机游动方法随机游动方法是基于随机过程领域的研究方法。

通过分析聚合物分子的随机游动行为，模拟整个聚合物的动力学行为。

在聚合物模拟中，该方法用于研究聚合物的扩散和输运特性，以及聚合物空间结构的特点。

微观至介观尺度的模拟方法概述讲解

6.1基本原理
元胞自动机方法为模拟动力学系统的演化提供了一种直接的手段，这些动力学系统包含有大量基于短程相互作用或长程相互作用的相似组元。
对于简单的物理系统，时间是其惟一个独立变量(自变量)。这种直接方法，就相当于利用有限差分近似法给出偏微分方程组的离散解。
元胞自动机方法对“基础实体”类型和选用的变换规则没有任何限制。它们可以描述：简单有限差分模拟中态变量值的分布，混合算法的色问题，“教室里的儿童健康情况”，在任何变换条件下的模糊集合元素，以及元胞的初级
在元胞自动机中，邻接格座的局域相互作用，是通过一套
确定性或概率件变换规则具体确定的。在时间(t+Δt)时，对应于某特定格座的态变量值ξ将由目前状态(t0) (或最接近的几个态t0，t0-Δt等)及其邻近格点的状态决定。若只考虑最邻近的两个时间步，则对于一维元胞自动机的演化来
另一种自动机是由立方晶格组成的，这时每个点具有一种颜色，并能按照下述简单的变换规则进行转换：“如果某点有超过50％的近邻格点(座)是蓝色，则该点就由原色变成红色”；或者“当有超过75％的近邻格点是红色时，那么所考察格点的颜色也转换为红色”。若要描述学校里孩子们之间的相互传染问题，我们可以通过一个规则，亦即 “如果一个教室里有50％的孩子得病．则该教室里其他所有孩子就被感染”，定义一个元胞自动机。为了使上述简单唯象模型变得更加合理、真实、可信，应该增加更多的变换规则。上面的例子可补充这样的规则：“经过一定数目的时间步之后，受感染的孩子已康复”或“每个孩子只能被感染一次’’等等。
空间及时间离散化介观尺度模拟方法空间及时间离散化位错动力学晶体塑性复原织构断裂相场动力学或广义ginzburglandau模型超导电性扩散相变晶粒生长确定性或概率性元胞自动机扩散热传递相变再结晶晶粒生长多态动力学波茨potts模型相变再结晶晶粒生长几何拓扑和组分模型相变再结晶晶粒生长拓扑网格和顶点模型晶界动力学网格动力学成核复原晶粒生长典型应用领域中的主要介观尺度模拟方法微观至介观尺度的模拟微观至介观尺度的模拟l介观模拟方法的共同特点

纳观表面粘着接触的分子动力学模拟

（ａ）微齿轮减速机构（ｂ）微镊子图１．１微器械中表面粘着可以作为阻力或驱动力块，情况有所改善，但当激励加速度较大时，粘着力对微加速度的性能影响还是很大的１２０】。

当然，也有不少ＭＥＭｓ器件利用粘着力来提高性能。

真空微镊子利用镊子头同被镊物体间的吸附力来抓取物体，如图１．１（ｂ），此时粘着力作为驱动力出现，需要足够大并要得到控制【ｚ１１。

粘着力在工程中最成功的应用是１９８５年Ｂｉ彻ｉｎｇｌ２２】发明的原子力显微镜（ＡＦＭ），通过检测粘着力，使人类清晰地看到原子，并可实现原子操纵。

Ｂｉｎｎｉｎｇ在１９８６年为此获得诺贝尔物理奖。

汽车零部件中微／纳米尺寸下表面力学行为同样受到学者们的关注。

例如在研究发动机气门．门座的磨损机理时，需要从微观表面测试技术及微观摩擦学原理出发进行探讨田ｌ。

为了提高汽车零部件的接触疲劳性能，需要运用纳米电刷技术对服役条件较苛刻的部件表面进行修复与强化【２”。

通过添加纳米Ａ１２０３可以大幅度提高固体润滑干膜的接触摩擦性能，成功解决了重载车辆零部件的防腐蚀和润滑问题ｍＪ。

在汽车发动机正时链系统工作性能试验中，发现在间隙配合的中链板与销轴之间的工作结合面出现了细小的皱纹。

这种接触表面的形成，表明在纳米级别的微动磨损初期首先是表面的晶界变形１２６Ｊ。

由此可见，微／纳观粘着接触特性对微机械的性能产生重要影响。

纳观接触问题是研究特征尺寸在ｌ－ｌｏｏ纳米之间的微细结构所涉及到的表面间相互作用，其研究的范围属于纳米力学范围，即从纳米的尺度上展示力学的观念【２＂叭。

纳观接触问题的研究范畴可追溯到钱学森开创的物理力学领域。

“从材料的原子、分子结构的微观性质预见其宏观力学性质，用物理学的观点来解决力学里的问题ｆ２９．３０】”。

由于粘着力是出现在Ｉ’日Ｊ隙为纳米量级范围的微器件间，为了与传统的接触问题加以区别，本论文将此类问题称为纳观接触问题。

ｚ方向【００ｌ】。

弹性基体尺寸沿工，ｙ，ｚ方向分别为５０口ｏ×６口。

介观尺度物理学的研究方法

介观尺度物理学的研究方法介观尺度物理学是研究介于纳米和宏观物质之间的物质结构和它们的性质的一门新兴学科。

在这个领域中，我们经常需要处理比分子级别大但比宏观级别小的物理系统。

这可能涉及到几百至几千个原子或分子的系统。

要进行这种规模的物理学研究，需要一些特殊的工具和技术。

本文将介绍介观尺度物理学的研究方法。

1.计算机模拟当我们研究比分子级别大的物理系统时，比如生物大分子、纳米结构和各种介观系统，我们需要借助计算机模拟。

计算机模拟可以给出实验结果，并帮助我们理解物理系统的行为和时间演化。

计算机模拟可以采用分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等方法。

分子动力学模拟模拟的是物质的“粒子”（原子、分子等粒子）之间的力学运动，因此可以用来模拟分子的结构和动力学。

蒙特卡罗模拟模拟的是随机过程，可以用来模拟温度和偏差等热力学量，以及量子力学的基本行为。

2.实验方法实验方法是介观尺度物理学研究的另一种方法。

实验方法提供对物理系统的直接观察和量化。

在介观尺度物理学中，实验方法主要采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、核磁共振等技术。

光学显微镜可以对许多材料进行表面观察，包括薄膜、液晶和聚合物。

扫描电子显微镜可以通过监测反射电子来探测材料的表面。

X射线衍射可以用来分析晶体结构、表面结构和纳米结构。

核磁共振技术可以用来测量许多关键的热力学物理量，例如热导率、热扩散系数和比热容量。

3.实验和计算相结合实验和计算方法必须相互结合，以确保介观尺度物理学研究的准确性。

在介观尺度物理学领域中，我们常常会遇到模拟结果与实验结果之间的差异，这可能是由于模型的简化、精度不足或理论与实际条件之间的差异引起的。

因此，为了获得更准确的结果，我们需要进行实验和计算结果的比较，以获得更准确的结论。

这种方法也可用于验证理论模型，提出更加完善的模型。

4.数据分析和统计学数据分析和统计学是介观尺度物理学研究中不可缺少的工具。

大量的数据分析和基本的统计学方法，例如平均值、标准偏差和方差，可以帮助我们解释模拟和实验结果。

水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验实验报告

水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验实验报告一、实验目的本次实验旨在通过虚拟仿真实验的方式，深入了解水溶液的介观结构及其形成机理，探究不同因素对水溶液介观结构的影响。

二、实验原理1. 溶液的介观结构溶液是由溶质和溶剂组成的混合物，其中溶质是指能够在溶剂中形成分子间作用力而被完全包围的物质。

在水溶液中，水分子是主要的溶剂，而其他物质则充当了溶质。

当水分子与其他物质发生作用时，它们会聚集形成介观结构。

2. 溶解度和热力学因素溶解度是指在一定条件下，在过饱和状态下最多可以将多少量的某种物质完全地溶解于一定量的给定溶剂中。

热力学因素主要包括熵效应和焓效应。

对于熵效应来说，随着物质从晶体状态转变为离散分子状态，其自由度增加，使得熵增加；对于焓效应来说，则是由于化学键断裂和形成所带来的能量变化。

3. 水溶液的形成机理水溶液的形成是由于水分子与其他物质之间相互作用的结果。

这些相互作用可以是静电作用、氢键作用、疏水作用等。

其中，氢键作用是最为常见和重要的一种相互作用。

它是指一个带有部分正电荷的氢原子与一个带有部分负电荷的原子或分子之间所形成的一种弱化学键。

三、实验步骤1. 打开虚拟仿真实验平台，并选择“水溶液介观结构与形成机理”实验项目。

2. 进入实验界面后，首先需要选择不同类型的离子和分子，并调整它们在水中的浓度。

3. 点击“开始模拟”按钮，等待模拟程序运行完成后，观察溶液中各个组分之间的相互关系和排列方式。

4. 尝试改变浓度、温度等参数，并观察其对溶液介观结构的影响。

5. 点击“保存数据”按钮，将实验结果保存至本地计算机上。

四、实验结果及分析通过本次实验，我们可以得到如下结论：1. 溶解度随着温度的升高而增加，这是由于热力学因素的影响。

2. 溶解度随着浓度的升高而增加，但当浓度超过一定限制时，会发生相分离现象。

3. 不同类型的离子和分子之间存在不同类型的相互作用，从而形成不同的介观结构。

4. 水分子与其他物质之间主要通过氢键作用相互作用。