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(1.西北民族大學(xué)甘肅省高校環(huán)境友好復(fù)合材料及生物質(zhì)利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730030;2.西北民族大學(xué) 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

當(dāng)前隨著計(jì)算化學(xué)的快速發(fā)展，計(jì)算化學(xué)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的輔助以及實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越成熟，分子模擬作為計(jì)算化學(xué)的一個(gè)重要分支，在實(shí)際試驗(yàn)中一些很難直接獲得的數(shù)據(jù)或者需要通過(guò)一整套繁瑣實(shí)驗(yàn)才能得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)分子模擬方法，利用計(jì)算計(jì)進(jìn)行模擬能夠很輕松的獲得實(shí)驗(yàn)需要的輔助數(shù)據(jù)，通過(guò)分子模擬計(jì)算獲得合理的分子結(jié)構(gòu)與分子行為，從而為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)提供一定的理論基礎(chǔ)[1]。

1 計(jì)算化學(xué)

1.1 量子力學(xué)方法

量子力學(xué)方法從理論上來(lái)說(shuō)是通過(guò)從頭計(jì)算方法[2]，半經(jīng)驗(yàn)分子域方法[3]，密度泛函理論[4]等方法來(lái)對(duì)電子與電子核性質(zhì)進(jìn)行精確的描述，從而得到分子的相關(guān)性質(zhì)。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，從頭計(jì)算方法適合計(jì)算小分子的平衡幾何，扭轉(zhuǎn)勢(shì)及其電子激發(fā)能。半經(jīng)驗(yàn)分子域方法對(duì)薛定諤方程[5]實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化了計(jì)算過(guò)程，提高了計(jì)算效率。密度泛函的理論基礎(chǔ)是用電子密度為變量來(lái)構(gòu)造體系能量泛函，從而建立起來(lái)以單粒子密度的泛函為基礎(chǔ)的電子相關(guān)模型，似的復(fù)雜的多電子問(wèn)題得以輕松解決，大大拓寬了計(jì)算體系及其計(jì)算效率。

1.2 分子力學(xué)法

分子力學(xué)法也稱為力場(chǎng)法,是一種非量子力學(xué)技術(shù)，可以解決分子水平上的問(wèn)題。牛頓力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論是分子力學(xué)法的理論基礎(chǔ)，分子力學(xué)在計(jì)算時(shí)，以計(jì)算分子結(jié)構(gòu)的相對(duì)位能大小時(shí)是與分子內(nèi)部應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的，具有很大的關(guān)聯(lián)度首先選擇適合模擬體系所需要的合適的力場(chǎng)[6]，然后對(duì)體系需要進(jìn)行計(jì)算的原子進(jìn)行能量最小化計(jì)算，在體系達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，在對(duì)體系的原子進(jìn)行足夠步數(shù)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。分子的力場(chǎng)含有許多可以通過(guò)量子力學(xué)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)方法得到參數(shù)，通過(guò)計(jì)算原子間的相互作用，分子力學(xué)法在計(jì)算各類聚合物模擬體系的熱了學(xué)參數(shù)及其分子構(gòu)想有重要的應(yīng)用[7-9]。

2 分子模擬方法

2.1 蒙特卡洛方法(簡(jiǎn)稱MC)

早在20世紀(jì)50年代，MC方法就應(yīng)用到聚合物科學(xué)的研究之中。開(kāi)創(chuàng)性的工作是Wall在為研究聚合物鏈的排除體積問(wèn)題時(shí)所做的蒙特卡洛模擬[10-12]。基本模擬過(guò)程是在某些系統(tǒng)條件下，在兩相間粒子的位置轉(zhuǎn)移或?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)粒子進(jìn)行隨機(jī)的位移、轉(zhuǎn)動(dòng)。MC方法的理論核心就是一種通過(guò)通過(guò)Metropolis抽樣方法[13-14]，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬方法，基礎(chǔ)是建立一個(gè)能夠代表真是體系的概率模型，進(jìn)而通過(guò)對(duì)所建立的抽樣模型計(jì)算來(lái)得到實(shí)際問(wèn)題的近似反映。MC方法在研究材料和環(huán)境科學(xué)方面涉及到的吸附分離方面的問(wèn)題有著非常重要的價(jià)值，經(jīng)常被用來(lái)探究體系的平衡性質(zhì)以及材料的微觀機(jī)構(gòu)特性。

2.2 分子動(dòng)力學(xué)方法(簡(jiǎn)稱MD)

分子動(dòng)力學(xué)方法(MD)在化學(xué)、物理、材料學(xué)等學(xué)科的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)是一種重要的計(jì)算機(jī)模擬方法。模擬過(guò)程是從分子力的計(jì)算開(kāi)始，基于牛頓力學(xué)原理，在一定的系綜條件下，通過(guò)探究每個(gè)粒子的牛頓力學(xué)方程的求解規(guī)律進(jìn)而得到系統(tǒng)的粒子的勢(shì)能和動(dòng)量與時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)對(duì)時(shí)間進(jìn)行的積分，獲得體系的宏觀性質(zhì)，例如系統(tǒng)的壓力、能量、粘度等，以及組成粒子的空間分布[15]。

3 Materials studio模擬軟件

3.1 Materials studio軟件介紹

分子模擬軟件眾多，各有優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同的體系選擇合適的模擬軟件往往能起到事半功倍的作用，同時(shí)合理的運(yùn)用分子模擬軟件對(duì)于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)與模擬的關(guān)聯(lián)起到了橋梁的作用。在眾多的分子模擬軟件中，一款由美國(guó) Accelrys公司開(kāi)發(fā)的材料科學(xué)軟件Materials studio軟件展現(xiàn)了其強(qiáng)大的功能和獨(dú)特的魅力，MS軟件綜合應(yīng)用了計(jì)算化學(xué)的量子力學(xué)法以及分子力學(xué)法，以及分子模擬的蒙特卡洛和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法。通過(guò)整合使用這些先進(jìn)理論和計(jì)算方法，MS軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料進(jìn)行不同粒子尺寸和時(shí)間范圍內(nèi)的評(píng)估和計(jì)算，通過(guò)對(duì)各種小分子、納米團(tuán)簇、晶體、 非晶體以及高分子材料的性質(zhì)進(jìn)行深入的挖掘，為實(shí)際的科學(xué)研究提供了切實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[16-17]。

3.2 Materials studio軟件的核心模塊和功能

MS軟件模塊很多，不同的模塊有著不同的功能，模塊之間往往在進(jìn)行分子模擬計(jì)算時(shí)也都互相有著關(guān)聯(lián)作用，下面就其主要計(jì)算模塊[18-21]和功能做一下簡(jiǎn)單的列表，見(jiàn)表1。

表1 MS軟件主要模塊及其功能

4 結(jié)論和前景

分子模擬技術(shù)來(lái)設(shè)改性、設(shè)計(jì)化工新材料和新產(chǎn)品，大大減小了人為造成的數(shù)據(jù)和分析誤差，與此同時(shí)對(duì)于節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，輔助提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，加快研發(fā)進(jìn)程具有重大作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及分子模擬方法，機(jī)理的成熟，分子模擬技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段一定能夠得到很好地互補(bǔ)，共同前進(jìn)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的產(chǎn)品和工藝開(kāi)發(fā)中。與此同時(shí)，Materials Studio 是一種很有前景的分子模擬軟件，整合于分子模擬方法，MS軟件不斷優(yōu)化，其重要使用價(jià)值正在化學(xué)科學(xué)和材料領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展。