分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用

1、分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,1,分子模擬技術(shù)在高分子 科學(xué)中的應(yīng)用,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,2,本章主要內(nèi)容：,第一節(jié)：分子模擬概論 第二節(jié)：分子模擬基本原理 第三節(jié)：分子模擬軟件Materials Studio的使用 第四節(jié)：分子模擬在高分子研究中的應(yīng)用,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,3,第一節(jié) 分子模擬概論,定義：,分子模擬（Molecular Simulation）：以計(jì)算機(jī)為工具，在原子水平上建立分子模型，用以模擬分子的結(jié)構(gòu)與行為，進(jìn)而模擬分子體系的各種物理、化學(xué)性質(zhì)。,特點(diǎn):,原子水平的模擬 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn) 檢驗(yàn)理論、篩選實(shí)驗(yàn) 科學(xué)研究中的第三種方法,分子模擬技術(shù)在高

2、分子科學(xué)中的應(yīng)用,4,研究領(lǐng)域：,分子模擬所涉及的領(lǐng)域涵蓋了物理、化學(xué)、化工、材料、生化等幾乎一切可以用理論模型進(jìn)行研究的體系。,幾個(gè)重要概念：,多數(shù)從事分子模擬研究人員根據(jù)需要把自己所研究的領(lǐng)域稱為“理論化學(xué)”（Theoretical chemistry ）或“計(jì)算化學(xué)”（Computational chemistry）或分子模擬。實(shí)際上，這三個(gè)概念是有區(qū)別的。,理論化學(xué)：量子力學(xué)（Quantum mechanics）的同義詞,計(jì)算化學(xué)：不僅包含了量子力學(xué)，還包含旨在理解和預(yù)測分子體系行為的其它基于計(jì)算機(jī)的方法，如分子力學(xué)（Molecular mechanics）最小化（neinincimi

3、zation），模擬、構(gòu)象分析（Conformational analysis）等,分子模擬：研究內(nèi)容則比理論化學(xué)和計(jì)算化學(xué)要廣泛的多，它著重強(qiáng)調(diào)對一個(gè)具有代表性的三維立體結(jié)構(gòu)的分子體系進(jìn)行操作，給出那些依賴于這些結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，因此分子模擬是一個(gè)更為廣泛的概念。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,5,第二節(jié) 分子模擬基本原理,分子模擬 (Molecular Simulation),量子力學(xué) (Quantum mechanics),從頭算 （Ab Initio）,密度泛函理論 （Density Functional Theory DFT）,半經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論 （Semi-empirical Mol

4、ecular Orbital Theories， SEMO）,蒙特卡洛（Monte CarloMC）,分子動力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）,分子力學(xué)（Molecular Mechanics，MM）,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,6,3.半經(jīng)驗(yàn)（Semiempirical）方法,量子化學(xué)主要通過求解體系的Schrodinger方程研究原子、分子和晶體的電子層結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵理論以及他們的各種光譜、波譜和電子能譜的特征，依據(jù)Schrodonger方程的不同求解方法，分為以下幾種計(jì)算方法,1.從頭算（ab initio）法,優(yōu)點(diǎn)：精確度高,缺點(diǎn)：計(jì)算量大，只能計(jì)算小分子體系（普通

5、計(jì)算機(jī)） 程序：Gaussian, Games,2.密度泛函理論（DFT）,優(yōu)點(diǎn)：對大分子體系的計(jì)算，DFT耗時(shí)比傳統(tǒng)的HF從頭算法要少客觀的12個(gè)數(shù)量級，它也可以處理有機(jī)、無機(jī)、金屬、非金屬體系，幾乎可以囊括周期表中的所有元素的化合物,一、量子力學(xué),方法：AM、PM3、MINDO、CNDO、INDO、MNDO等,特點(diǎn)：計(jì)算含有2001000個(gè)原子數(shù)的分子體系,程序：MOPAC是著名的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算程序,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,7,二、分子力學(xué)（MM）,基本原理：分子力學(xué)（Molecular mechanics ，MM）又稱力場方法（force field method），是以經(jīng)典牛頓力

6、學(xué)為基礎(chǔ)的一種計(jì)算分子構(gòu)象和能量的方法,優(yōu)點(diǎn)： 能迅速求得較大體系的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和性能（計(jì)算速度快）,缺點(diǎn)：,a.精確性一般低于量子力學(xué),b.由于未考慮電子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動，不能研究與電子轉(zhuǎn)移、電子遷移相關(guān)的性質(zhì)，如電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)等,c.對新環(huán)境、新體系的預(yù)測能力有限，力場是在一系列分子的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，對與之相近的新分子體系能較好地預(yù)測。相差較大的新體系則不能很好預(yù)測,1.力場,力場（Force Field）（經(jīng)驗(yàn)力場）是分子力學(xué)的靈魂，是決定計(jì)算結(jié)果成敗的最關(guān)鍵因素，力場是不同原子力場類型的定義及不同價(jià)鍵和非鍵能量表達(dá)形式的集合體,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,8,力場的能量表

7、達(dá)：力場的主要組成部分，即用一定的數(shù)學(xué)公式表達(dá)不同類型原子間存在的相互作用，不論公式形式如可，任何力場都將能量表達(dá)為兩個(gè)主要作用：成鍵相互作用和非成鍵相互作用,成鍵相互作用：鍵伸縮能，鍵角彎曲能，二面角扭轉(zhuǎn)能,非成鍵相互作用：范德華作用，靜電作用，氫鍵,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,9,2.常用的力場,生物高分子：AMBER力場，CHARMM（蛋白質(zhì)、多肽、核酸）,有機(jī)小分子：MM2，MMP2和MM3,高分子體系：PCFF，Dreiding力場,特殊用途 （研究）,無機(jī)氧化玻璃體：Glass力場,沸石結(jié)構(gòu)：BKS力場，Burchart力場,晶體形態(tài)學(xué)：Morphology力場,聚偏氟乙烯（

8、PVDF）：MSXX力場,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,10,3. 通用力場,a. UFF力場,b. Dreiding力場：,高分子材料模擬中常用的力場,三、分子動力學(xué)（MD）,基本原理：利用牛頓力學(xué)基本原理，通過求解運(yùn)動方程得到所有原子的運(yùn)動軌跡，進(jìn)而基于軌跡計(jì)算得到所需各種性質(zhì)。,優(yōu)點(diǎn)：模擬5000個(gè)原子的體系，準(zhǔn)確性高。,軟件：世界上最大的分子模擬軟件制造商（Accelry）公司推出的,Cerius2：用于大型計(jì)算機(jī)和工作機(jī),Materials Studio（MS）：用于個(gè)人計(jì)算機(jī),c. COMPASS力場,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,11,MD的應(yīng)用,領(lǐng)域：物理、化學(xué)、生物、

9、材料等 MD方法能實(shí)時(shí)將分子的動態(tài)行為顯示到計(jì)算機(jī)屏幕上, 便于直觀了解體系在一定條件下的演變過程 MD含溫度與時(shí)間, 因此還可得到如材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱容、晶體結(jié)晶過程、輸送過程、膨脹過程、動態(tài)弛豫(relax)以及體系在外場作用下的變化過程等 水和離子在微小硅孔中的運(yùn)動 聚乙烯的結(jié)晶,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,12,四、蒙特卡洛法（Monte CarloMC）,基本原理：在一定系統(tǒng)條件下，將系統(tǒng)內(nèi)粒子進(jìn)行隨機(jī)的位移、 轉(zhuǎn)動，或粒子在兩相同轉(zhuǎn)移位置,特點(diǎn)：計(jì)算量沒有分子動力學(xué)那樣大，所需時(shí)少,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,13,四種模擬方法構(gòu)成了與分子模擬密不可分的組成部分

10、量了力學(xué)方法能得到有關(guān)立體構(gòu)型和構(gòu)象能的可靠信息，可以描述電子結(jié)構(gòu)的變化； 分子力學(xué)方法研究的是體系的靜態(tài)性質(zhì)，描述基態(tài)原子結(jié)構(gòu)的變化，得到比分子動力學(xué)更精確的值； 蒙特卡洛法的誤差容易確定，計(jì)算量沒有分子動力學(xué)那樣大,費(fèi)時(shí)少,就獲取某種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)構(gòu)這一點(diǎn)而言，蒙特卡洛方法往往比分子動力學(xué)更有效； 分子動力學(xué)能研究體系中與時(shí)間和溫度有關(guān)的性質(zhì)，是動態(tài)性質(zhì)，它既克服了蒙特卡洛法僅能夠描述不同溫度下分子結(jié)構(gòu)的特征，卻不能描述不同溫度下體系從一種熱力學(xué)狀態(tài)向另一種熱力學(xué)狀態(tài)演變過程的缺點(diǎn)，也克服了量子力學(xué)法中僅能計(jì)算絕對溫度零度的真空中的孤立分子和分子力學(xué)只能計(jì)算絕對溫度零度的分子體系等問題，

11、能計(jì)算任何溫度下分子體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,14,常用的分子模擬軟件：,Sybyl (藥物設(shè)計(jì)), Tripos公司 Quanta/Charmm (生物大分子) Cerius2 (材料) Materials Studio Insight II (藥物，大分子，材料) Hyperchem7.5 MDL的各種化學(xué)數(shù)據(jù)庫,Accelrys Inc.,(Formerly MSI),分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,15,第三節(jié) 材料科學(xué)模擬計(jì)算軟件 Materials Studio的使用,一、簡介,是Accelrys專為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的可運(yùn)行于PC機(jī)上的新一代材料計(jì)算軟

12、件，最新版本為Materials Studio 5.5（2011年推出）版,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,16,多種先進(jìn)算法的綜合應(yīng)用使Materials Studio成為一個(gè)強(qiáng)有力的模擬工具。無論構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測和X射線衍射分析，以及復(fù)雜的動力學(xué)模擬和量子力學(xué)計(jì)算，我們都可以通過一些簡單易學(xué)的操作來得到切實(shí)可靠的數(shù)據(jù),模擬的內(nèi)容包括催化劑、聚合物、固體及表面、晶體與衍射、化學(xué)反應(yīng)等材料和化學(xué)研究領(lǐng)域的主要課題,Materials Studio是一個(gè)模塊化的環(huán)境，每種模塊提供不同的結(jié)構(gòu)確定、性質(zhì)預(yù)測或模擬方法,Materials Studio的特點(diǎn)：,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,1

13、7,模型三維可視化，有很多顯示樣式、參數(shù)和測量工具 草畫和編輯分子模型，包括金屬有機(jī)化合物 構(gòu)造晶體 構(gòu)造高聚物 構(gòu)造表面、層、真空板狀結(jié)構(gòu) 分子和周期系統(tǒng)的對稱性尋找及編輯工具 圖形、圖表和電子表格形式顯示數(shù)據(jù) 使用Materials Studio工程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 高質(zhì)量打印輸出 管理監(jiān)視服務(wù)器計(jì)算工作的工具,Materials Visualizer包括以下特點(diǎn)：,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,18,二、Materials Studio入門,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,19,Modules菜單,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,20,Amorphous Cell：可以建立復(fù)雜無定型

14、系統(tǒng)中的代表性模型并預(yù)測它們的性質(zhì) CASTEP：可以進(jìn)行第一原理量子力學(xué)計(jì)算，研究如半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、礦物和浮石等晶體或表面的性質(zhì) Dmol3: 可以進(jìn)行基于密度泛函理論的量子力學(xué)計(jì)算，分析分子和周期系統(tǒng) DPD：可以進(jìn)行大尺度長時(shí)間的介觀動力學(xué)模擬 Discover：可以優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，計(jì)算電子經(jīng)典軌道，分析很大范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和軌道的性質(zhì),分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,21,Equilibria：可以確定烷烴和其它小分子結(jié)構(gòu)的相圖 Forcite：可以研究很大范圍內(nèi)的系統(tǒng)。它最主要的近似是原子核運(yùn)動所處的勢場用經(jīng)典力場代替 MesoDyn：可以研究復(fù)雜流體動力學(xué)和在大尺度長時(shí)間中的平衡狀

15、態(tài) Reflex：可以查看、模擬、索引和精修粉末衍射的數(shù)據(jù)，求解晶體結(jié)構(gòu) VAMP：可以使用半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)算法模擬氣體和溶液中的反應(yīng)和性質(zhì),分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,22,2. Explorers（管理器）,Project Explorer Properties Explorer Job Explorer,Materials Studio包括以下管理器,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,23,Materials Studio運(yùn)行組織邏輯上有關(guān)的文檔成一個(gè)集合，稱之為工程。 可以使用Project Explorer查看屬于一個(gè)工程的文檔。,Project Explorer,分子模擬技術(shù)在

16、高分子科學(xué)中的應(yīng)用,24,Properties Explorer顯示在三維文檔或圖形文檔中選定的對象的屬性。對象包括 圖形標(biāo)記、原子、鍵、分子等。當(dāng)選擇多個(gè)對象時(shí)，顯示它們的共同屬性。,Properties Explorer,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,25,任務(wù)管理器提供輕松管理工程任務(wù)功能。你可以使用任務(wù)管理器查看操作 屬于此工程的任務(wù),Job Explorer,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,26,3. 工具條,三維視圖工具條,標(biāo)準(zhǔn)工具條,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,27,模塊工具條,草畫工具條,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,28,Materials Studio可以使

17、用幾種類型的文檔三維原子和分子模型、文本、圖形和表格文檔。,4. 文檔類型,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,29,三、繪制簡單分子,1. 繪制苯酚,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,30,步 驟：, 選擇繪制環(huán)工具，并在文檔中繪制一個(gè)6元環(huán)，同時(shí)按下Alt鍵，繪制帶虛線的六元環(huán)， 在Sketch工具欄上單擊Sketch Atom按鈕，在任意碳原子上單擊并拖曳生成氧原子 在Sketch工具欄上單擊Auto Hydrogen按鈕自動為分子加入合適的氫原子，同時(shí)按下Clean按鈕，以獲得更具有化學(xué)合理性的分子結(jié)構(gòu)。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,31,2. 繪制雙酚A型環(huán)氧分子,分子模擬技術(shù)在

18、高分子科學(xué)中的應(yīng)用,32,3. 繪制對二乙炔基苯,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,33,4. 繪制雙環(huán)戊二烯,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,34,5. 繪制吡啶分子,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,35,步 驟：, 首先繪制一個(gè)芳香結(jié)構(gòu)的六元環(huán) 打開View菜單Explores下的Properties Explores管理器，在工作區(qū)選擇某一碳原子，在管理器中將該原子的元素符號從C改變?yōu)镹 使用工具欄上的Sketch Atom按鈕，為這個(gè)分子加入一個(gè)氯原子取代基 為分子自動加H并進(jìn)行整理,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,36,6. 繪制碳納米管,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,37

19、,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,38,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,39,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,40,步 驟：, 選擇CNTs模型（一個(gè)晶格）（File-import-structures-nanotubes） Build- Symmetry- Supercell- C:10 Build- Symmetry-Non-Periodic Superstructure (取消周期邊界條件) 為分子自動加H并進(jìn)行整理,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,41,四. 處理分子晶體：尿素,步驟： 1.打開分子晶體文檔,Import: MS Modeling3.2/Data/Example

20、s/Documents/3D Model/Urea.msi,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,42,2、 計(jì)算氫鍵,從菜單中選擇Build/Hydrogen bonds,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,43,3、調(diào)整晶胞顯示的范圍,在Display style的lattice欄，將Display部分沿X Y Z方向的最大晶胞數(shù)（Max）改為2.0，得到一個(gè)222的尿素晶體。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,44,4、改變晶胞顯示風(fēng)格,在lattice欄中，選擇None，關(guān)閉對話框，將去掉晶胞邊界線。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,45,5、檢測結(jié)構(gòu)中氫鍵連,旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)觀測氫鍵網(wǎng)絡(luò)。使用鍵

21、盤的上、下、左、右鍵頭按照45為單位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,46,五、 建立Alpha石英晶體,1、 建立Alpha石英晶體,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,47,步驟： 在一個(gè)新的3D文檔中，從Build菜單選擇Crystal下的Build Crystal 會打開相關(guān)的晶體建模對話框。在Space Group欄中，選擇Enter Group，輸入P3221，并且按下Tab鍵進(jìn)行確定。 在Lattice Parameters欄中，在相應(yīng)的地方可以輸入Alpha石英的a和c晶胞參數(shù)為a=4.910 c=5.402 按下Build按鈕，一個(gè)空的晶胞就會出現(xiàn)在文檔中。,分子模

22、擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,48,2、加入硅原子和氧原子,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,49,步驟： 從Build菜單中選擇Add Atom。 進(jìn)入Atoms欄中，從Element下拉菜單中選擇Si，并輸入相應(yīng)的a, b, c 數(shù)據(jù)，a=0.480781, b=0.480781, c=0.0。Si原子和其對稱原子加入到晶胞內(nèi)。 同樣的，可以加入氧原子。氧原子的參數(shù)為a=0.150179,b=0.414589, c=0.116499氧原子和其對稱原子加入到晶胞內(nèi)，程序會自動計(jì)算并加入相關(guān)的鍵。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,50,六、使用聚合物模建工具,1. 建造均聚物,聚苯乙烯,分子模

23、擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,51,步 驟：, 從Build菜單的Build Polymers下選擇Homopolymer，彈出均聚物對話框, Polymerize欄列出了可以使用的重復(fù)單元庫，在Library中選擇vinyls，然后從相應(yīng)的Repeat Unit下拉菜單中選擇所要的重復(fù)單元styrene., 在Chain Length中輸入20，構(gòu)造由20個(gè)單體構(gòu)成的聚合物，完成后按下Build按鈕,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,52,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,53,2. 建造等規(guī)PMMA,1）選擇Build菜單Build Polylmers下的Homopolymer。,分子模擬技

24、術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,54,2）在Polymerize欄單擊Library下拉菜單，找到acrylates 3）在Repeat Unit下拉菜單選擇methyl_methacrylate 4）在Tacticity下拉菜單中選擇Isoactic（等規(guī)立構(gòu)） 5）在Chain Length中輸入20,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,55,6）在Advance欄中，將Torsion設(shè)定為60. 7）現(xiàn)在已經(jīng)在軟件中設(shè)置好了全同PMMA的全部所需參數(shù)，單擊Build就可以產(chǎn)生一個(gè)新的Polymethyl_methacrylate.xsd文檔，其中包括了20元PMMA聚合分子。,分子模擬技術(shù)在高分子

25、科學(xué)中的應(yīng)用,56,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,57,3. 建造嵌段共聚物,5個(gè)聚乙烯氧化物-10個(gè)聚丙烯氧化物-5個(gè)聚乙烯氧化物,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,58,步 驟：, 從Build的Build Polymers下選擇Block Copolymer，彈出嵌段共聚物對話框, 首先加入重復(fù)單元和嵌段尺寸，在Repeat Unit的空白部分雙擊鼠標(biāo)，在彈出的對話框中輸入相應(yīng)的信息。重復(fù)以上的操作，直到所有的單體都加入到對話框中, 按下Build按鈕會出現(xiàn)新的聚合物,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,59,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,60,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,6

26、1,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,62,4. 建造無規(guī)共聚物,丁二烯-丙烯腈無規(guī)共聚物,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,63,從Build下Build Polymers中選擇Random Copolymer。 無規(guī)共聚物對話框與嵌段共聚物對話框相類似,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,64,5. 建造分叉枝晶聚合物,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,65,步 驟：, 從Build的Build Polymers下選擇Dendrimer，彈出相關(guān)對話框, 在Seed中選擇種子，作為聚合物生長的核心，在Repeat Unit部分指定重復(fù)單元，在Number of generations部分可以

27、指定層的數(shù)目, 按下Build按鈕可以得到相應(yīng)的聚合物,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,66,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,67,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,68,1. 剪切表面,導(dǎo)入一個(gè)想要剪切的純鉑晶體表面，導(dǎo)入后打開Build菜單Surface下 的Cleave Surface命令,七、將分子對接到表面,Pt（1,1,1）面,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,69,2、構(gòu)造超晶胞,從Build菜單Symmetry選擇SuperCell命令,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,70,3. 加入一個(gè)真空片層,從Build的Crystal中選擇Build Vaccum Slab,分子

28、模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,71,4. 將分子定位到表面上,構(gòu)造一個(gè)甲烷小分子，將其放置到表面上，采用CPK顯示模式,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,72,課堂練習(xí),1：雙酚-A型環(huán)氧分子,2: PAA單體分子結(jié)構(gòu),分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,73,3: 建造聚氯乙烯均聚物（聚合度為15）,4: 建造聚四氟乙烯均聚物（聚合度為20）,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,74,八、聚合物與金屬氧化物表面的相互作用,目標(biāo)：介紹如何計(jì)算聚合物與金屬氧化物表面的相互作用。包括構(gòu)建一個(gè)無定形聚合物和金屬氧化物表面，并且通過分子動力學(xué)模擬來計(jì)算相互作用能,模塊：Material Visualize

29、r，Amorphous Cell、Discover,背景：聚合物表面和接觸面的相互作用對于粘合劑、涂料、隱形眼鏡、膠片、潤滑劑等產(chǎn)品非常關(guān)鍵，研究者所感興趣的性質(zhì)包括與體相有所區(qū)別的接觸面或者界面的結(jié)構(gòu)，表面張力、潤濕以及粘附的化學(xué)/力學(xué)機(jī)理。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,75,步 驟：,1. 構(gòu)造表面,2. 優(yōu)化表面,3. 增大表面面積并改變周期性,4. 聚合物建模,5. 使用分層模建工具將聚合物加到表面上,6. 運(yùn)行動力學(xué)計(jì)算,7. 計(jì)算相互作用能,Einteraction=E總-（Esurface + Epolymer）,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,76,1. 構(gòu)造表面,導(dǎo)入

30、Al2O3晶體,剪切表面（0 1 2）面,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,77,2. 優(yōu)化表面,需要優(yōu)化表面，采用Discover模塊的Minimizer。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,78,在項(xiàng)目管理器中出現(xiàn)新的文件夾，名稱為Al2O3（0 1 2）Disco Min 。 計(jì)算大約需要不到1min就可以完成。完成后，能量最小化的結(jié)構(gòu)將保存在 Al2O3.XSD文件中，并出現(xiàn)在文件夾頂部。,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,79,Al2O3（0 1 2）的能量最小化的結(jié)構(gòu),分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,80,3. 增大表面面積并改變周期性,增大表面面積,改變周期性,分子模擬技術(shù)在高

31、分子科學(xué)中的應(yīng)用,81,4. 聚合物建模,聚對硝基苯乙烯,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,82,使用Amorphous cell模塊獲得合理構(gòu)象聚合物分子,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,83,構(gòu)建過程,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,84,5. 使用分層模建工具將聚合物加到表面上,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,85,6. 運(yùn)行動力學(xué)計(jì)算,Discover/Dynamics,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,86,7. 計(jì)算相互作用能,Einteraction=Etotal-（Esurface + Epolymer）,Etotal是表面和聚合物的總能量；Esurface是除去聚合物后

32、表面的能量； Epolymer是除去表面后聚合物的能量,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,87,第四節(jié)：分子模擬在高分子研究中的應(yīng)用,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,88,參考網(wǎng)址： http:/ (創(chuàng)騰科技有限公司-materials studio中國的獨(dú)家代理) http:/ studies/ (美國ACCELRYS公司),分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,89,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,90,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,91,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,92,應(yīng)用舉例:,結(jié)晶高分子的模擬 無定形高分子的模擬 聚合物共混體系的模擬 高分子除垢劑設(shè)計(jì)的模擬,分子模擬技術(shù)

33、在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,93,一. 結(jié)晶高分子的模擬,高分子晶體的力學(xué)性質(zhì)是高分子晶體材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。彈性常數(shù)是力學(xué)性質(zhì)的一種度量，長期以來，從實(shí)驗(yàn)到理論一直未能得到一套完整的各向異性彈性常數(shù) 將分子模擬技術(shù)運(yùn)用到結(jié)晶聚合物中，從模擬形變實(shí)驗(yàn)可得到全部的彈性常數(shù)（拉伸模量、剪切模量、泊松比）,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,94,模擬的聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酰對苯二胺 （PPTA）和聚對苯酰胺（PBA）的晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)吻合,1. 建立合理的高分子晶格模型,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,95,模擬高分子晶體受力形變的示意圖,2. 分子力學(xué)法模擬高分子晶體的受力形變,分子模擬技術(shù)在高分子科

34、學(xué)中的應(yīng)用,96,高分子晶體的各向異性彈性常數(shù),3. 繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,97,二. 無定形高分子的模擬,對于非晶形物質(zhì)而言，要依據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)來預(yù)測宏觀性質(zhì)是非常復(fù)雜而困難的事情，傳統(tǒng)的方法是X射線衍射法 分子模擬技術(shù)成為研究大量非晶型聚合物的動態(tài)和靜態(tài)性質(zhì)的一門新技術(shù)。分子模擬方法從定域非晶形結(jié)構(gòu)（即整體的非晶型狀態(tài)通過運(yùn)用周期邊界條件來模擬，聚合物鏈包裹在元胞中，元胞在三維空間無限延伸）的統(tǒng)計(jì)和動態(tài)學(xué)研究得出：某些體系的彈性常數(shù)可從整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)變的勢能變化的二階導(dǎo)數(shù)求出,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,98,Determination of the Mech

35、anical Properties of Amorphous Polymers,Amorphous Cell: 允許你對復(fù)雜的無定型體系建立有代表性的模型，并對主要性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測 可以研究的性質(zhì)有：內(nèi)聚能密度(CED)、狀態(tài)方程行為、鏈堆砌以及局部鏈運(yùn)動、末端距和回旋半徑、X光或中子散射曲線、擴(kuò)散系數(shù)、紅外光譜和偶極相關(guān)函數(shù)等,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,99,a: the chemical formula b: energy minimized molecular model of the monomer,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,100,c: an amorphous cell

36、 of polyethersulfone chains d: the X-ray scattering intensity compared with experimental data,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,101,e: principle of the mechanical test f: the potential energy obtained from the simulation,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,102,三. 聚合物共混物相容性的模擬,分子模擬過程：在屏幕上，通過選擇各種化學(xué)結(jié)構(gòu)基團(tuán)或片斷，合成出所需的高分子鏈，計(jì)算設(shè)計(jì)方案中兩種高分子間的相互作用，計(jì)

37、算兩組份混合的自由能。,影響聚合物共混體系形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的重要因素是 什么？,聚合物共混體系相容性與力學(xué)性能的關(guān)系如何？,評價(jià)聚合物共混體系相容性的實(shí)驗(yàn)方法是什么？,可能共混的各組分方案？,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,103,以往用實(shí)驗(yàn) 或半經(jīng)驗(yàn)估算,現(xiàn)在用分子 模擬技術(shù)獲得,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,104,Study of Binary Blend Compatibility of Polyamide6 and Poly(vinyl acetate) with Different Degrees of Hydrolysis,MesoDyn: 是一個(gè)介觀尺度動力學(xué)方法，用于研究跨越長時(shí)間過程的大體系，此方法使用源自化學(xué)組分梯度和朗文噪音的組分密度場方法，體系的微相分離、膠束和自組裝過程都可以使用MesoDyn程序進(jìn)行研究 MesoDyn的應(yīng)用包括：涂料、化妝品、混合聚合材料、表面溶 劑、復(fù)雜藥物傳輸以及其它領(lǐng)域,分子模擬技術(shù)在高分子科學(xué)中的應(yīng)用,105,PVOH (blue) h88-PVAC (red) h75-PVAC (green) P