计算化学与分子模拟方法及MS软件简介
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１ 计算化学 １．１ 量子力学方法
量子力学方法从理论上来说是通过从头计算方法［２］，半经 验分子域方法［３］，密度泛函理论［４］等方法来对电子与电子核性 质进行精确的描述，从而得到分子的相关性质。三种方法各有 优缺点及适 用 范 围，从 头 计 算 方 法 适 合 计 算 小 分 子 的 平 衡 几 何，扭转势 及 其 电 子 激 发 能。 半 经 验 分 子 域 方 法 对 薛 定 谔 方 程［５］实现了优化，进一步优化了 计 算 过 程，提 高 了 计 算 效 率。 密度泛函的理论基础是用电子密度为变量来构造体系能量泛 函，从而建立 起 来 以 单 粒 子 密 度 的 泛 函 为 基 础 的 电 子 相 关 模 型，似的复杂的多 电 子 问 题 得 以 轻 松 解 决，大 大 拓 宽 了 计 算 体 系及其计算效率。
·１２４·
山 东 化 工 ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第 ４８卷
计算化学与分子模拟方法及 ＭＳ软件简介
王英学１，２，梁俊玺１，２，胡勤政２，曹宏伟２
（１．西北民族大学甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室，甘肃 兰州 ７３００３０； ２．西北民族大学 化工学院，甘肃 兰州 ７３００３０）
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎｔｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆБайду номын сангаасｉｆｆｅｒｅｎｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣｏａｔｉｎｇｓ
ＷａｎｇＹｉｎｇｘｕｅ１，２，ＬｉａｎｇＪｕｎｘｉ１，２，ＨｕＱｉｎｚｈｅｎｇ２，ＣａｏＨｏｎｇｗｅｉ２
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＵｔｉｌｉｆｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ＦｒｉｅｎｄｌｙＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＢｉｏｍａｓｓｉｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓｏｆＧａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００３０，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｃｈｏｏｌｏｆｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００３０，Ｃｈｉｎａ）
摘要：随着高新技术的飞速发展，化工领域中计算化学极其重要分支分子模拟技术所起作用越来越显著。本文论述了计算化学主要方 法，分子模拟方法，并着重介绍了 Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ软件。 关键词：计算化学方法；分子模拟方法；Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ 中图分类号：Ｏ５６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）０２－０１２４－０２
重要的应用 。 ［７－９］
２ 分子模拟方法 ２．１ 蒙特卡洛方法（简称 ＭＣ）
早在 ２０世纪 ５０年代，ＭＣ方法就应用到聚合物科学的研 究之中。开创性的工作是 Ｗａｌｌ在为研究聚合物链的排除体积 问题时所做的蒙特卡洛模拟［１０－１２］。基本模拟过程是在某些系 统条件下，在两相间粒子的位置转移或将系统内粒子进行随机 的位 移、转 动。 ＭＣ 方 法 的 理 论 核 心 就 是 一 种 通 过 通 过 Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ抽样方法［１３－１４］，进行实验统计的计算机模拟方法，基 础是建立一个能够代表真是体系的概率模型，进而通过对所建 立的抽样模型计算来得到实际问题的近似反映。ＭＣ方法在研 究材料和环境科学方面涉及到的吸附分离方面的问题有着非 常重要的价值，经常被用来探究体系的平衡性质以及材料的微 观机构特性。
当前随着计算化学的快速发展，计算化学对于实验的辅助 以及实际应用越来越成熟，分子模拟作为计算化学的一个重要 分支，在实际试验中一些很难直接获得的数据或者需要通过一 整套繁琐实验才 能 得 到 的 数 据，通 过 分 子 模 拟 方 法，利 用 计 算 计进行模拟能够很轻松的获得实验需要的辅助数据，通过分子 模拟计算获得合理的分子结构与分子行为，从而为进一步的实 验提供一定的理论基础［１］。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ－ｔｅｃｈ，ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｉｓｅｘｔｒｅｍｅｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅＭａｔｅｒｉａｌｓ ｓｔｕｄｉｏｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ
１．２ 分子力学法
分子力学法也称 为 力 场 法，是 一 种 非 量 子 力 学 技 术，可 以 解决分子水平上的问题。牛顿力学和统计力学理论是分子力 学法的理论基础，分 子 力 学 在 计 算 时，以 计 算 分 子 结 构 的 相 对 位能大小时是与分子内部应力相关联的，具有很大的关联度首 先选择适合模拟体系所需要的合适的力场［６］，然后对体系需要 进行计算的 原 子 进 行 能 量 最 小 化 计 算，在 体 系 达 到 平 衡 状 态 时，在对体系的原 子 进 行 足 够 步 数 的 动 力 学 计 算，最 后 对 计 算 结果进行分析。分子的力场含有许多可以通过量子力学计算 或实验方法得到 参 数，通 过 计 算 原 子 间 的 相 互 作 用，分 子 力 学 法在计算各类聚合物模拟体系的热了学参数及其分子构想有
２．２ 分子动力学方法（简称 ＭＤ）
分子动力学方法（ＭＤ）在化学、物理、材料学等学科的众多 领域得到广泛应是一种重要的计算机模拟方法。模拟过程是 从分子力的计算 开 始，基 于 牛 顿 力 学 原 理，在 一 定 的 系 综 条 件 下，通过探究每个粒子的牛顿力学方程的求解规律进而得到系 统的粒子的势能和动量与时间的关系，进而通过对时间进行的 积分，获得体系的宏观性质，例如系统的压力、能量、粘度等，以 及组成粒子的空间分布［１５］。
３ Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ模拟软件 ３．１ Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ软件介绍
量子力学方法从理论上来说是通过从头计算方法［２］，半经 验分子域方法［３］，密度泛函理论［４］等方法来对电子与电子核性 质进行精确的描述，从而得到分子的相关性质。三种方法各有 优缺点及适 用 范 围，从 头 计 算 方 法 适 合 计 算 小 分 子 的 平 衡 几 何，扭转势 及 其 电 子 激 发 能。 半 经 验 分 子 域 方 法 对 薛 定 谔 方 程［５］实现了优化，进一步优化了 计 算 过 程，提 高 了 计 算 效 率。 密度泛函的理论基础是用电子密度为变量来构造体系能量泛 函，从而建立 起 来 以 单 粒 子 密 度 的 泛 函 为 基 础 的 电 子 相 关 模 型，似的复杂的多 电 子 问 题 得 以 轻 松 解 决，大 大 拓 宽 了 计 算 体 系及其计算效率。
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山 东 化 工 ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第 ４８卷
计算化学与分子模拟方法及 ＭＳ软件简介
王英学１，２，梁俊玺１，２，胡勤政２，曹宏伟２
（１．西北民族大学甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室，甘肃 兰州 ７３００３０； ２．西北民族大学 化工学院，甘肃 兰州 ７３００３０）
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎｔｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆБайду номын сангаасｉｆｆｅｒｅｎｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣｏａｔｉｎｇｓ
ＷａｎｇＹｉｎｇｘｕｅ１，２，ＬｉａｎｇＪｕｎｘｉ１，２，ＨｕＱｉｎｚｈｅｎｇ２，ＣａｏＨｏｎｇｗｅｉ２
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＵｔｉｌｉｆｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ＦｒｉｅｎｄｌｙＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＢｉｏｍａｓｓｉｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓｏｆＧａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００３０，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｃｈｏｏｌｏｆｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００３０，Ｃｈｉｎａ）
摘要：随着高新技术的飞速发展，化工领域中计算化学极其重要分支分子模拟技术所起作用越来越显著。本文论述了计算化学主要方 法，分子模拟方法，并着重介绍了 Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ软件。 关键词：计算化学方法；分子模拟方法；Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ 中图分类号：Ｏ５６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）０２－０１２４－０２
重要的应用 。 ［７－９］
２ 分子模拟方法 ２．１ 蒙特卡洛方法（简称 ＭＣ）
早在 ２０世纪 ５０年代，ＭＣ方法就应用到聚合物科学的研 究之中。开创性的工作是 Ｗａｌｌ在为研究聚合物链的排除体积 问题时所做的蒙特卡洛模拟［１０－１２］。基本模拟过程是在某些系 统条件下，在两相间粒子的位置转移或将系统内粒子进行随机 的位 移、转 动。 ＭＣ 方 法 的 理 论 核 心 就 是 一 种 通 过 通 过 Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ抽样方法［１３－１４］，进行实验统计的计算机模拟方法，基 础是建立一个能够代表真是体系的概率模型，进而通过对所建 立的抽样模型计算来得到实际问题的近似反映。ＭＣ方法在研 究材料和环境科学方面涉及到的吸附分离方面的问题有着非 常重要的价值，经常被用来探究体系的平衡性质以及材料的微 观机构特性。
当前随着计算化学的快速发展，计算化学对于实验的辅助 以及实际应用越来越成熟，分子模拟作为计算化学的一个重要 分支，在实际试验中一些很难直接获得的数据或者需要通过一 整套繁琐实验才 能 得 到 的 数 据，通 过 分 子 模 拟 方 法，利 用 计 算 计进行模拟能够很轻松的获得实验需要的辅助数据，通过分子 模拟计算获得合理的分子结构与分子行为，从而为进一步的实 验提供一定的理论基础［１］。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ－ｔｅｃｈ，ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｉｓｅｘｔｒｅｍｅｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅＭａｔｅｒｉａｌｓ ｓｔｕｄｉｏｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ
１．２ 分子力学法
分子力学法也称 为 力 场 法，是 一 种 非 量 子 力 学 技 术，可 以 解决分子水平上的问题。牛顿力学和统计力学理论是分子力 学法的理论基础，分 子 力 学 在 计 算 时，以 计 算 分 子 结 构 的 相 对 位能大小时是与分子内部应力相关联的，具有很大的关联度首 先选择适合模拟体系所需要的合适的力场［６］，然后对体系需要 进行计算的 原 子 进 行 能 量 最 小 化 计 算，在 体 系 达 到 平 衡 状 态 时，在对体系的原 子 进 行 足 够 步 数 的 动 力 学 计 算，最 后 对 计 算 结果进行分析。分子的力场含有许多可以通过量子力学计算 或实验方法得到 参 数，通 过 计 算 原 子 间 的 相 互 作 用，分 子 力 学 法在计算各类聚合物模拟体系的热了学参数及其分子构想有
２．２ 分子动力学方法（简称 ＭＤ）
分子动力学方法（ＭＤ）在化学、物理、材料学等学科的众多 领域得到广泛应是一种重要的计算机模拟方法。模拟过程是 从分子力的计算 开 始，基 于 牛 顿 力 学 原 理，在 一 定 的 系 综 条 件 下，通过探究每个粒子的牛顿力学方程的求解规律进而得到系 统的粒子的势能和动量与时间的关系，进而通过对时间进行的 积分，获得体系的宏观性质，例如系统的压力、能量、粘度等，以 及组成粒子的空间分布［１５］。
３ Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ模拟软件 ３．１ Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｕｄｉｏ软件介绍