分子模拟【Molecular Simulation】技术在高分子科学中的应用

一、量子力学
量子化学主要通过求解体系的Schrodinger方程研究原子、分子和晶体的电 子层结构，化学键理论以及他们的各种光谱、波谱和电子能谱的特征，依据 Schrodonger方程的不同求解方法，分为以下几种计算方法
1.从头算（ab initio）法
优点：精确度高
缺点：计算量大，只能计算小分子体系（普通计算机） 程序：Gaussian, Games
生物高分子：AMBER力场，CHARMM（蛋白质、多肽、核酸） 有机小分子：MM2，MMP2和MM3 高分子体系：PCFF，Dreiding力场
无机氧化玻璃体：Glass力场
特殊用途 （研究）
沸石结构：BKS力场，Burchart力场 晶体形态学：Morphology力场 聚偏氟乙烯（PVDF）：MSXX力场
特点:
➢ ➢ ➢ ➢
原子水平的模拟 计算机实验 检验理论、筛选实验 科学研究中的第三种方法
研究领域：
分子模拟所涉及的领域涵盖了物理、化学、化工、材料、生化等几乎一切 可以用理论模型进行研究的体系。
几个重要概念：
多数从事分子模拟研究人员根据需要把自己所研究的领域称为“理论化学” （ Theoretical chemistry ） 或 “ 计 算 化 学 ” （ Computational chemistry）或分子模拟。实际上，这三个概念是有区别Βιβλιοθήκη Baidu。
➢ 分子模拟：研究内容则比理论化学和计算化学要广泛的多，它着重强调对 一个具有代表性的三维立体结构的分子体系进行操作，给出那些依赖于这些 结构的性质，因此分子模拟是一个更为广泛的概念。
第二节 分子模拟基本原理
从头算 （Ab Initio） 量子力学 (Quantum 密度泛函理论 mechanics) （Density Functional Theory —DFT）
➢ 理论化学：量子力学（Quantum mechanics）的同义词
➢ 计算化学：不仅包含了量子力学，还包含旨在理解和预测分子体系行为 的其它基于计算机的方法，如分子力学（Molecular mechanics）最小化 （neinincimization），模拟、构象分析（Conformational analysis）等
四、蒙特卡洛法（Monte Carlo—MC）
基本原理：在一定系统条件下，将系统内粒子进行随机的位移、 转动，或 粒子在两相同转移位置 特点：计算量没有分子动力学那样大，所需时少
成键相互作用：键伸缩能，键角弯曲能，二面角扭转能 非成键相互作用：范德华作用，静电作用，氢键
bond stretch
torsional
intermolecular interactions
valence angle bend
分子力学模型
intramolecular nonbonded
2.常用的力场
MD的应用
领域：物理、化学、生物、材料等 MD方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上, 便于直观了解体 系在一定条件下的演变过程 MD含温度与时间, 因此还可得到如材料的玻璃化转变温度、热容、晶体 结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫(relax)以及体系在外场作用 下的变化过程等 水和离子在微小硅孔中的运动 聚乙烯的结晶
二、分子力学（MM）
基本原理：分子力学（Molecular mechanics ，MM）又称力场方法（force field method），是以经典牛顿力学为基础的一种计算分子构象和能量的方法
优点： 能迅速求得较大体系的静态结构和性能（计算速度快）
缺点： a.精确性一般低于量子力学 b.由于未考虑电子的结构和运动，不能研究与电子转移、电子迁移相 关的性质，如电学、光学和磁学性质等 c.对新环境、新体系的预测能力有限，力场是在一系列分子的经验参 数基础上总结出来的，对与之相近的新分子体系能较好地预测。相 差较大的新体系则不能很好预测
第五章 分子模拟技术在高分子 科学中的应用
本章主要内容：
第一节：分子模拟概论 第二节：分子模拟基本原理 第三节：分子模拟软件Materials Studio的使用 第四节：分子模拟在高分子研究中的应用
第一节 分子模拟概论
定义：
分子模拟（Molecular Simulation）：以计算机为工具，在原子水平上建 立分子模型，用以模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理、 化学性质。
3. 通用力场
a. UFF力场 b. Dreiding力场：高分子材料模拟中常用的力场 c. COMPASS力场
三、分子动力学（MD）
基本原理：利用牛顿力学基本原理，通过求解运动方程得到所有原子 的运动轨迹，进而基于轨迹计算得到所需各种性质。
优点：模拟5000个原子的体系，准确性高。
软件：世界上最大的分子模拟软件制造商（Accelry）公司推出的 Cerius2：用于大型计算机和工作机 Materials Studio（MS）：用于个人计算机
2.密度泛函理论（DFT）
优点：对大分子体系的计算，DFT耗时比传统的HF从头算法要少客观的1~2 个数量级，它也可以处理有机、无机、金属、非金属体系，几乎可以囊括周 期表中的所有元素的化合物
3.半经验（Semi—empirical）方法
方法：AM、PM3、MINDO、CNDO、INDO、MNDO等 特点：计算含有200~1000个原子数的分子体系 程序：MOPAC是著名的半经验计算程序
1.力场
力场（Force Field）（经验力场）是分子力学的灵魂，是决定计算结果成 败的最关键因素，力场是不同原子力场类型的定义及不同价键和非键能量表 达形式的集合体
力场的能量表达：力场的主要组成部分，即用一定的数学公式表达不同类 型原子间存在的相互作用，不论公式形式如可，任何力场都将能量表达为两 个主要作用：成键相互作用和非成键相互作用
分子模拟 (Molecular Simulation)
半经验分子轨道理论 （Semi-empirical Molecular Orbital Theories，
SEMO）
分子力学（Molecular Mechanics，MM）
分子动力学（Molecular Dynamics，MD）
蒙特卡洛（Monte Carlo—MC）