分子模拟技术在高分子科学中的应用培训资料.ppt

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1、分子模拟技术在高分子科分子模拟技术在高分子科学中的应用学中的应用本章主要内容：本章主要内容：第一节：分子模拟概论第一节：分子模拟概论第二节：分子模拟基本原理第二节：分子模拟基本原理第三节：分子模拟软件第三节：分子模拟软件Materials StudioMaterials Studio的使用的使用第四节：分子模拟在高分子研究中的应用第四节：分子模拟在高分子研究中的应用第一节第一节 分子模拟概论分子模拟概论定义：定义：定义：定义：分子模拟（分子模拟（Molecular Simulation）：以计算机为工具，在原子水平上建）：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

2、模拟分子体系的各种物理、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。化学性质。特点特点特点特点:原子水平的模拟原子水平的模拟原子水平的模拟原子水平的模拟计算机实验计算机实验计算机实验计算机实验检验理论、筛选实验检验理论、筛选实验检验理论、筛选实验检验理论、筛选实验科学研究中的第三种方法科学研究中的第三种方法科学研究中的第三种方法科学研究中的第三种方法研究领域：研究领域：研究领域：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。可以用理论模型进行

3、研究的体系。几个重要概念：几个重要概念：几个重要概念：几个重要概念：多多数数从从事事分分子子模模拟拟研研究究人人员员根根据据需需要要把把自自己己所所研研究究的的领领域域称称为为“理理论论化化学学”（Theoretical chemistry）或或“计计 算算 化化 学学”（Computational chemistry）或分子模拟。实际上，这三个概念是有区别的。）或分子模拟。实际上，这三个概念是有区别的。理论化学理论化学：量子力学（：量子力学（Quantum mechanics）的同义词）的同义词 计计算算化化学学：不不仅仅包包含含了了量量子子力力学学，还还包包含含旨旨在在理理解解和和预预测测

4、分分子子体体系系行行为为的的其其它它基基于于计计算算机机的的方方法法，如如分分子子力力学学（Molecular mechanics）最最小小化化（neinincimization），模拟、构象分析（），模拟、构象分析（Conformational analysis）等）等 分子模拟分子模拟：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：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。结构的性质，因此分子

5、模拟是一个更为广泛的概念。第二节第二节 分子模拟基本原理分子模拟基本原理 分子模拟分子模拟(Molecular Simulation)量子力学量子力学(Quantum mechanics)从头算从头算（Ab Initio）密度泛函理论密度泛函理论（Density Functional Theory DFT）半经验分子轨道理论半经验分子轨道理论（Semi-empirical Molecular Orbital Theories，SEMO）蒙特卡洛（蒙特卡洛（Monte CarloMC）分子动力学（分子动力学（Molecular Dynamics，MD）分子力学（分子力学（Molecular Me

6、chanics，MM）3.半经验（半经验（Semiempirical）方法）方法量子化学主要通过求解体系的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方程的不同求解方法，分为以下几种计算方法1.从头算（从头算（ab initio）法）法优点：精确度高优点：精确度高缺点：计算量大，只能计算小分子体系（普通计算机）缺点：计算量大，只能计算小分子体系

7、（普通计算机）程序：程序：Gaussian,Games2.密度泛函理论（密度泛函理论（DFT）优点：对大分子体系的计算，优点：对大分子体系的计算，DFT耗时比传统的耗时比传统的HF从头算法要少客观的从头算法要少客观的12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期表中的所有元素的化合物一、量子力学一、量子力学方法：方法：AM、PM3、MINDO、CNDO、INDO、MNDO等等特点：计算含有特点：计算含有2001000个原子数的分子体系个原子数的分子体系程序：程序：MOPAC是著名

8、的半经验计算程序是著名的半经验计算程序二、分子力学（二、分子力学（MM）基本原理：分子力学（基本原理：分子力学（Molecular mechanics，MM）又称力场方法（）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），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：优点：能迅速求得较大体系的静态结构和性能（计算速度快）能迅速求得较大体系的静态结构和性能（计算速度快）缺点：缺点：a a.精确性一般低于量子力学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、电子迁移相由于未考虑电子的结构和运动，不

9、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较大的新体系则不能很好预测1.力场力场力场（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）（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

10、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形式的集合体u 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个主要作用：成键相互作用和非成键相互作用l 成键相互作用：键伸缩能，键角弯曲能，二面角扭转能成键相互作用：键伸缩能，键角弯曲能，二面角扭转能l 非成键相互作用：范德华作用，静电作用，氢键非成键相互作用：范德

11、华作用，静电作用，氢键intermolecularinteractionsintramolecularnonbondedtorsionalbond stretchvalence anglebend分子力学模型2.常用的力场常用的力场生物高分子生物高分子：AMBER力场，力场，CHARMM（蛋白质、多肽、核酸）（蛋白质、多肽、核酸）有机小分子：有机小分子：MM2，MMP2和和MM3高分子体系：高分子体系：PCFF，Dreiding力场力场特殊用途特殊用途（研究）（研究）无机氧化玻璃体：无机氧化玻璃体：Glass力场力场沸石结构：沸石结构：BKS力场，力场，Burchart力场力场晶体形态学：晶体

12、形态学：Morphology力场力场聚偏氟乙烯（聚偏氟乙烯（PVDF）：）：MSXX力场力场3.通用力场通用力场a.UFF力场力场b.Dreiding力场：力场：高分子材料模拟中常用的力场高分子材料模拟中常用的力场三、分子动力学（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。的运动轨迹，进而基于轨迹计算得到所需各种性质。优点：模拟优点：模拟5000个原子的体系，准确性高。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（软件：世界上最大的分子

13、模拟软件制造商（Accelry）公司推出的）公司推出的Cerius2：用于大型计算机和工作机：用于大型计算机和工作机Materials Studio（MS）：用于个人计算机：用于个人计算机c.COMPASS力场力场MDMD的应用的应用的应用的应用领域：物理、化学、生物、材料等领域：物理、化学、生物、材料等领域：物理、化学、生物、材料等领域：物理、化学、生物、材料等MDMD方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上,便于直观了解体便于直观了解体便于直观了解体便于直

14、观了解体系在一定条件下的演变过程系在一定条件下的演变过程系在一定条件下的演变过程系在一定条件下的演变过程MDMD含温度与时间含温度与时间含温度与时间含温度与时间,因此还可得到如材料的玻璃化转变温度、热容、晶体因此还可得到如材料的玻璃化转变温度、热容、晶体因此还可得到如材料的玻璃化转变温度、热容、晶体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、动态弛豫结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫(relax)relax)以及体系在外场作用以及体系在外场作用以及体系在外场作用以及体系在外场作用下的

15、变化过程等下的变化过程等下的变化过程等下的变化过程等水和离子在微小硅孔中的运动水和离子在微小硅孔中的运动水和离子在微小硅孔中的运动水和离子在微小硅孔中的运动聚乙烯的结晶聚乙烯的结晶聚乙烯的结晶聚乙烯的结晶四、蒙特卡洛法（四、蒙特卡洛法（Monte CarloMC）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、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，或转动，或粒子在两相同转移位置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，所需时少特点：计算量没有分子动力学那样大，所需时少四种模拟方法构成了与分子模拟密不可分的组成部分四种模拟方法构成了与分子模拟密不可分的

16、组成部分n n量了力学方法量了力学方法能得到有关立体构型和构象能的可靠信息，可以描能得到有关立体构型和构象能的可靠信息，可以描述电子结构的变化；述电子结构的变化；n n分子力学方法分子力学方法研究的是体系的静态性质，描述基态原子结构的变研究的是体系的静态性质，描述基态原子结构的变化，得到比分子动力学更精确的值；化，得到比分子动力学更精确的值；n n蒙特卡洛法蒙特卡洛法的误差容易确定，计算量没有分子动力学那样大的误差容易确定，计算量没有分子动力学那样大,费时费时少少,就获取某种状态的统计平均结构这一点而言，蒙特卡洛方法往就获取某种状态的统计平均结构这一点而言，蒙特卡洛方法往往比分子动力学更有效；

17、往比分子动力学更有效；n n分子动力学分子动力学能研究体系中与时间和温度有关的性质，是动态性质，能研究体系中与时间和温度有关的性质，是动态性质，它既克服了蒙特卡洛法仅能够描述不同温度下分子结构的特征，它既克服了蒙特卡洛法仅能够描述不同温度下分子结构的特征，却不能描述不同温度下体系从一种热力学状态向另一种热力学状却不能描述不同温度下体系从一种热力学状态向另一种热力学状态演变过程的缺点，也克服了量子力学法中仅能计算绝对温度零态演变过程的缺点，也克服了量子力学法中仅能计算绝对温度零度的真空中的孤立分子和分子力学只能计算绝对温度零度的分子度的真空中的孤立分子和分子力学只能计算绝对温度零度的分子体系等问

18、题，能计算任何温度下分子体系的结构与性质。体系等问题，能计算任何温度下分子体系的结构与性质。常用的分子模拟软件：常用的分子模拟软件：lSybylSybyl(药物设计药物设计药物设计药物设计),),TriposTripos公司公司公司公司l lQuanta/Quanta/CharmmCharmm(生物大分子生物大分子生物大分子生物大分子)l lCeriusCerius2 2(材料材料材料材料)l lMaterials StudioMaterials Studiol lInsight II(Insight II(药物，大分子，材料药物，大分子，材料药物，大分子，材料药物，大分子，材料)lHyper

19、chem7.5Hyperchem7.5lMDLMDL的各种化学数据库的各种化学数据库的各种化学数据库的各种化学数据库Accelrys Inc.Accelrys Inc.(Formerly MSI)(Formerly MSI)第三节第三节 材料科学模拟计算软件材料科学模拟计算软件 Materials Studio的使用的使用一、简介一、简介 是是Accelrys专为材料科学领域开发的可运行于专为材料科学领域开发的可运行于PC机机上的新一代材料计算软件，最新版本为上的新一代材料计算软件，最新版本为Materials Studio 5.5（2011年推出）年推出）版版 多多种种先先进进算算法法的的综

20、综合合应应用用使使Materials Studio成成为为一一个个强强有有力力的的模模拟拟工工具具。无无论论构构型型优优化化、性性质质预预测测和和X X射射线线衍衍射射分分析析，以以及及复复杂杂的的动动力力学学模模拟拟和和量量子子力力学学计计算算，我我们们都都可可以以通通过过一一些些简简单单易易学学的的操操作作来来得得到到切切实可靠的数据实可靠的数据 模模拟拟的的内内容容包包括括催催化化剂剂、聚聚合合物物、固固体体及及表表面面、晶晶体体与与衍衍射射、化化学学反应反应等材料和化学研究领域的主要课题等材料和化学研究领域的主要课题 Materials Studio是是一一个个模模块块化化的的环环境境

21、，每每种种模模块块提提供供不不同同的的结结构构确确定、性质预测或模拟方法定、性质预测或模拟方法 l Materials Studio的特点：的特点：模型三维可视化，有很多显示样式、参数和测量工具模型三维可视化，有很多显示样式、参数和测量工具 草画和编辑分子模型，包括金属有机化合物草画和编辑分子模型，包括金属有机化合物 构造晶体构造晶体 构造高聚物构造高聚物 构造表面、层、真空板状结构构造表面、层、真空板状结构 分子和周期系统的对称性寻找及编辑工具分子和周期系统的对称性寻找及编辑工具 图形、图表和电子表格形式显示数据图形、图表和电子表格形式显示数据 使用使用Materials Studio工程进

22、行数据处理工程进行数据处理 高质量打印输出高质量打印输出 管理监视服务器计算工作的工具管理监视服务器计算工作的工具l Materials Visualizer包括以下特点：包括以下特点：二、二、Materials Studio入门入门Modules菜单菜单Amorphous Cell：可可以以建建立立复复杂杂无无定定型型系系统统中中的的代代表表性性模模型型并并预预测测它们的性质它们的性质CASTEP：可可以以进进行行第第一一原原理理量量子子力力学学计计算算，研研究究如如半半导导体体、陶陶瓷瓷、金属、矿物和浮石等晶体或表面的性质金属、矿物和浮石等晶体或表面的性质Dmol3:可可以以进进行行基基于

23、于密密度度泛泛函函理理论论的的量量子子力力学学计计算算，分分析析分分子子和和周周期系统期系统DPD：可以进行大尺度长时间的介观动力学模拟：可以进行大尺度长时间的介观动力学模拟Discover：可可以以优优化化分分子子结结构构，计计算算电电子子经经典典轨轨道道，分分析析很很大大范范围围内的结构和轨道的性质内的结构和轨道的性质Equilibria：可以确定烷烃和其它小分子结构的相图：可以确定烷烃和其它小分子结构的相图Forcite：可可以以研研究究很很大大范范围围内内的的系系统统。它它最最主主要要的的近近似似是是原原子核运动所处的势场用经典力场代替子核运动所处的势场用经典力场代替MesoDyn：可

24、可以以研研究究复复杂杂流流体体动动力力学学和和在在大大尺尺度度长长时时间间中中的的平衡状态平衡状态Reflex：可可以以查查看看、模模拟拟、索索引引和和精精修修粉粉末末衍衍射射的的数数据据，求求解晶体结构解晶体结构VAMP：可可以以使使用用半半经经验验量量子子力力学学算算法法模模拟拟气气体体和和溶溶液液中中的的反应和性质反应和性质2.Explorers（管理器）Project Explorer Properties Explorer Job Explorerl Materials Studio包括以下管理器包括以下管理器Materials Studio运行组织逻辑上有关的文档成一个集合，称之为

25、工程。运行组织逻辑上有关的文档成一个集合，称之为工程。可以使用可以使用Project Explorer查看属于一个工程的文档。查看属于一个工程的文档。Project ExplorerProperties Explorer显示在三维文档或图形文档中选定的对象的属性。对象包括显示在三维文档或图形文档中选定的对象的属性。对象包括图形标记、原子、键、分子等。当选择多个对象时，显示它们的共同属性。图形标记、原子、键、分子等。当选择多个对象时，显示它们的共同属性。Properties Explorer任务管理器提供轻松管理工程任务功能。你可以使用任务管理器查看操作任务管理器提供轻松管理工程任务功能。你可以

26、使用任务管理器查看操作属于此工程的任务属于此工程的任务Job Explorer3.工具条三维视图工具条三维视图工具条标准工具条标准工具条模块工具条草画工具条Materials Studio可以使用几种类型的文档可以使用几种类型的文档三维原子和分子模型、文本、三维原子和分子模型、文本、图形和表格文档。图形和表格文档。4.文档类型文档类型三、绘制简单分子三、绘制简单分子1.绘制苯酚绘制苯酚步步 骤：骤：选选择择绘绘制制环环工工具具，并并在在文文档档中中绘绘制制一一个个6元元环环，同同时时按按下下Alt键键，绘制带虚线的六元环，绘制带虚线的六元环，在在Sketch工工具具栏栏上上单单击击Sketch

27、 Atom按按钮钮，在在任任意意碳碳原原子子上上单单击击并拖曳生成氧原子并拖曳生成氧原子 在在Sketch工工具具栏栏上上单单击击Auto Hydrogen按按钮钮自自动动为为分分子子加加入入合合适适的的氢氢原原子子，同同时时按按下下Clean按按钮钮，以以获获得得更更具具有有化化学学合合理理性性的的分分子子结结构。构。2.绘制双酚绘制双酚A型环氧分子型环氧分子3.绘制对二乙炔基苯绘制对二乙炔基苯4.绘制双环戊二烯绘制双环戊二烯5.绘制吡啶分子绘制吡啶分子步步 骤：骤：首先绘制一个芳香结构的六元环首先绘制一个芳香结构的六元环 打打开开View菜菜单单Explores下下的的Properties

28、 Explores管管理理器器，在在工工作作区区选选择择某某一一碳碳原原子子，在在管管理理器器中中将将该该原原子子的的元元素素符符号号从从C改改变变为为N 使使用用工工具具栏栏上上的的Sketch Atom按按钮钮，为为这这个个分分子子加加入入一一个个氯氯原原子子取取代代基基 为分子自动加为分子自动加H H并进行整理并进行整理6.绘制碳纳米管绘制碳纳米管步步 骤：骤：选选 择择 CNTs模模 型型（一一 个个 晶晶 格格）（File-import-structures-nanotubes）Build-Symmetry-Supercell-C:10 Build-Symmetry-Non-Peri

29、odic Superstructure(取取消消周周期期边边界条件界条件)为分子自动加为分子自动加H H并进行整理并进行整理四四.处理分子晶体：尿素处理分子晶体：尿素步骤：步骤：1.打开分子晶体文档打开分子晶体文档Import:MS Modeling3.2/Data/Examples/Documents/3D Model/Urea.msi2、计算氢键计算氢键从菜单中选择从菜单中选择Build/Hydrogen bonds3、调整晶胞显示的范围、调整晶胞显示的范围 在在Display style的的lattice栏，将栏，将Display部分沿部分沿X Y Z方向方向的最大晶胞数（的最大晶胞数（

30、Max）改为）改为2.0，得到一个，得到一个222的尿素晶体。的尿素晶体。4、改变晶胞显示风格、改变晶胞显示风格在在lattice栏中，选择栏中，选择None，关闭对话框，将去掉晶胞边界线。，关闭对话框，将去掉晶胞边界线。5、检测结构中氢键连、检测结构中氢键连旋转结构观测氢键网络。使用键盘的上、下、左、右键头按照旋转结构观测氢键网络。使用键盘的上、下、左、右键头按照45为单位进行旋转。为单位进行旋转。五、五、建立建立Alpha石英晶体石英晶体1、建立建立Alpha石英晶体石英晶体步骤：步骤：在在一一个个新新的的3D文文档档中中，从从Build菜菜单单选选择择Crystal下下的的Build C

31、rystal 会会打打开开相相关关的的晶晶体体建建模模对对话话框框。在在Space Group栏栏中中，选选择择Enter Group，输入输入P3221，并且按下，并且按下Tab键进行确定。键进行确定。在在Lattice Parameters栏栏中中，在在相相应应的的地地方方可可以以输输入入Alpha石石英英的的a和和c晶胞参数为晶胞参数为a=4.910 c=5.402 按下按下Build按钮，一个空的晶胞就会出现在文档中。按钮，一个空的晶胞就会出现在文档中。2、加入硅原子和氧原子、加入硅原子和氧原子步骤：步骤：从从Build菜单中选择菜单中选择Add Atom。进进入入Atoms栏栏中中，

32、从从Element下下拉拉菜菜单单中中选选择择Si，并并输输入入相相应应的的a,b,c 数数据据，a=0.480781,b=0.480781,c=0.0。Si原原子子和和其其对对称称原原子子加加入入到晶胞内。到晶胞内。同同 样样 的的，可可 以以 加加 入入 氧氧 原原 子子。氧氧 原原 子子 的的 参参 数数 为为a=0.150179,b=0.414589,c=0.116499氧氧原原子子和和其其对对称称原原子子加加入入到到晶晶胞胞内内，程序会自动计算并加入相关的键。程序会自动计算并加入相关的键。六、使用聚合物模建工具六、使用聚合物模建工具1.建造均聚物建造均聚物聚苯乙烯聚苯乙烯步步 骤：骤

33、：从从Build菜菜单单的的Build Polymers下下选选择择Homopolymer，弹弹出出均均聚聚物对话框物对话框 Polymerize栏栏列列出出了了可可以以使使用用的的重重复复单单元元库库，在在Library中中选选择择vinyls，然然后后从从相相应应的的Repeat Unit下下拉拉菜菜单单中中选选择择所所要要的的重重复复单单元元styrene.在在Chain Length中中输输入入20，构构造造由由20个个单单体体构构成成的的聚聚合合物物，完完成后按下成后按下Build按钮按钮2.建造等规建造等规PMMA1）选择）选择Build菜单菜单Build Polylmers下的下

34、的Homopolymer。2）在）在Polymerize栏单击栏单击Library下拉菜单，找到下拉菜单，找到acrylates3）在）在Repeat Unit下拉菜单选择下拉菜单选择methyl_methacrylate4）在）在Tacticity下拉菜单中选择下拉菜单中选择Isoactic（等规立构）（等规立构）5）在）在Chain Length中输入中输入206）在）在Advance栏中，将栏中，将Torsion设定为设定为60.7）现现在在已已经经在在软软件件中中设设置置好好了了全全同同PMMA的的全全部部所所需需参参数数，单单击击Build就就可可以以产产生生一一个个新新的的Poly

35、methyl_methacrylate.xsd文文档档，其其中中包包括括了了20元元PMMA聚合分子。聚合分子。3.建造嵌段共聚物建造嵌段共聚物5个聚乙烯氧化物个聚乙烯氧化物-10个聚丙烯氧化物个聚丙烯氧化物-5个聚乙烯氧化物个聚乙烯氧化物步步 骤：骤：从从Build的的Build Polymers下下选选择择Block Copolymer，弹弹出出嵌嵌段段共共聚物对话框聚物对话框 首首先先加加入入重重复复单单元元和和嵌嵌段段尺尺寸寸，在在Repeat Unit的的空空白白部部分分双双击击鼠鼠标标，在在弹弹出出的的对对话话框框中中输输入入相相应应的的信信息息。重重复复以以上上的的操操作作，直直

36、到到所有的单体都加入到对话框中所有的单体都加入到对话框中 按下按下BuildBuild按钮会出现新的聚合物按钮会出现新的聚合物4.建造无规共聚物建造无规共聚物丁二烯丁二烯-丙烯腈无规共聚物丙烯腈无规共聚物从从Build下下Build Polymers中选择中选择Random Copolymer。无规共聚物对话框与嵌段共聚物对话框相类似无规共聚物对话框与嵌段共聚物对话框相类似5.建造分叉枝晶聚合物建造分叉枝晶聚合物步步 骤：骤：从从Build的的Build Polymers下选择下选择Dendrimer，弹出相关对话框，弹出相关对话框 在在Seed中中选选择择种种子子，作作为为聚聚合合物物生生长

37、长的的核核心心，在在Repeat Unit部部分指定重复单元，在分指定重复单元，在Number of generations部分可以指定层的数目部分可以指定层的数目 按下按下BuildBuild按钮可以得到相应的聚合物按钮可以得到相应的聚合物1.剪切表面剪切表面导入一个想要剪切的纯鉑晶体表面，导入后打开导入一个想要剪切的纯鉑晶体表面，导入后打开Build菜单菜单Surface下下的的Cleave Surface命令命令七、将分子对接到表面七、将分子对接到表面Pt（1,1,1）面）面2 2、构造超晶胞、构造超晶胞从从Build菜单菜单Symmetry选择选择SuperCell命令命令3.加入一个

38、真空片层加入一个真空片层从从Build的的Crystal中选择中选择Build Vaccum Slab4.4.将分子定位到表面上将分子定位到表面上构造一个甲烷小分子，将其放置到表面上，采用构造一个甲烷小分子，将其放置到表面上，采用CPK显示模式显示模式课堂练习课堂练习1：双酚-A型环氧分子2:PAA单体分子结构3:建造聚氯乙烯均聚物（聚合度为15）4:建造聚四氟乙烯均聚物（聚合度为20）八、聚合物与金属氧化物表面的相互作用八、聚合物与金属氧化物表面的相互作用目目标标：介介绍绍如如何何计计算算聚聚合合物物与与金金属属氧氧化化物物表表面面的的相相互互作作用用。包包括括构构建建一一个个无无定定形形聚

39、聚合合物物和和金金属属氧氧化化物物表表面面，并并且且通通过过分分子子动动力力学学模模拟拟来来计算相互作用能计算相互作用能模块：模块：Material Visualizer，Amorphous Cell、Discover背背景景：聚聚合合物物表表面面和和接接触触面面的的相相互互作作用用对对于于粘粘合合剂剂、涂涂料料、隐隐形形眼眼镜镜、胶胶片片、润润滑滑剂剂等等产产品品非非常常关关键键，研研究究者者所所感感兴兴趣趣的的性性质质包包括括与与体体相相有有所所区区别别的的接接触触面面或或者者界界面面的的结结构构，表表面面张张力力、润润湿湿以以及及粘粘附的化学附的化学/力学机理。力学机理。步步 骤：骤：1

40、.1.构造表面构造表面2.2.优化表面优化表面3.3.增大表面面积并改变周期性增大表面面积并改变周期性4.4.聚合物建模聚合物建模5.5.使用分层模建工具将聚合物加到表面上使用分层模建工具将聚合物加到表面上6.6.运行动力学计算运行动力学计算7.7.计算相互作用能计算相互作用能E Einteractioninteraction=E=E总总-（E Esurfacesurface+E+Epolymerpolymer）1.1.构造表面构造表面导入导入Al2O3晶体晶体剪切表面（剪切表面（0 1 2）面）面2.2.优化表面优化表面需要优化表面，采用需要优化表面，采用Discover模块的模块的Mini

41、mizer。在项目管理器中出现新的文件夹，名称为在项目管理器中出现新的文件夹，名称为Al2O3（0 1 2）Disco Min。计算大约需要不到计算大约需要不到1min就可以完成。完成后，能量最小化的结构将保存在就可以完成。完成后，能量最小化的结构将保存在Al2O3.XSD文件中，并出现在文件夹顶部。文件中，并出现在文件夹顶部。Al2O3（0 1 2）的能量最小化的结构）的能量最小化的结构3.3.增大表面面积并改变周期性增大表面面积并改变周期性增大表面面积增大表面面积改变周期性改变周期性4.4.聚合物建模聚合物建模聚对硝基苯乙烯聚对硝基苯乙烯使用使用Amorphous cell模块获得合理构象

42、聚合物分子模块获得合理构象聚合物分子构建过程构建过程5.5.使用分层模建工具将聚合物加到表面上使用分层模建工具将聚合物加到表面上6.6.运行动力学计算运行动力学计算Discover/DynamicsDiscover/Dynamics7.7.计算相互作用能计算相互作用能E Einteractioninteraction=E=Etotaltotal-（E Esurfacesurface+E+Epolymerpolymer）E Etotaltotal是表面和聚合物的总能量；是表面和聚合物的总能量；E Esurfacesurface是除去聚合物后表面的是除去聚合物后表面的能量；能量；E Epolyme

43、rpolymer是除去表面后聚合物的能量是除去表面后聚合物的能量Molecular structureNanostructure第四节：分子模拟在高分子研究中的应用第四节：分子模拟在高分子研究中的应用参考网址：参考网址：http:/ studio中国的独家代理中国的独家代理)http:/ studies/(美国美国ACCELRYS公司公司)应用举例应用举例:n 结晶高分子的模拟结晶高分子的模拟n 无定形高分子的模拟无定形高分子的模拟n 聚合物共混体系的模拟聚合物共混体系的模拟n 高分子除垢剂设计的模拟高分子除垢剂设计的模拟一一.结晶高分子的模拟结晶高分子的模拟l 高高分分子子晶晶体体的的力力学

44、学性性质质是是高高分分子子晶晶体体材材料料设设计计的的关关键键。弹弹性性常常数数是是力力学学性性质质的的一一种种度度量量，长长期期以以来来，从从实实验验到到理理论论一一直直未未能能得得到到一一套完整的各向异性弹性常数套完整的各向异性弹性常数l 将将分分子子模模拟拟技技术术运运用用到到结结晶晶聚聚合合物物中中，从从模模拟拟形形变变实实验验可可得得到到全全部的弹性常数（拉伸模量、剪切模量、泊松比）部的弹性常数（拉伸模量、剪切模量、泊松比）模拟的聚乙烯（模拟的聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酰对苯二胺）、聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）和聚对苯酰胺（）和聚对苯酰胺（PBA）的晶体结构与实验吻合）的晶体结构

45、与实验吻合1.1.建立合理的高分子晶格模型建立合理的高分子晶格模型模拟高分子晶体受力形变的示意图模拟高分子晶体受力形变的示意图2.2.分子力学法分子力学法模拟高分子晶体的受力形变模拟高分子晶体的受力形变聚合物聚合物ExEyEzGyzGxzGxym mzym mzxm myxPE10.78.4279.53.71.58.30.2150.0250.472PBA12.860.8322.314.00.98.90.2590.3310.872PPTA14.980.1335.715.40.75.20.1990.4960.717高分子晶体的各向异性弹性常数高分子晶体的各向异性弹性常数3.3.绘制应力应变曲线绘制

46、应力应变曲线二二.无定形高分子的模拟无定形高分子的模拟l 对于非晶形物质而言，要依据其微观结构来预测宏观性质是非常对于非晶形物质而言，要依据其微观结构来预测宏观性质是非常复杂而困难的事情，传统的方法是复杂而困难的事情，传统的方法是X射线衍射法射线衍射法l 分子模拟技术成为研究大量非晶型聚合物的动态和静态性质的一分子模拟技术成为研究大量非晶型聚合物的动态和静态性质的一门新技术。分子模拟方法从定域非晶形结构（即整体的非晶型状态门新技术。分子模拟方法从定域非晶形结构（即整体的非晶型状态通过运用周期边界条件来模拟，聚合物链包裹在元胞中，元胞在三通过运用周期边界条件来模拟，聚合物链包裹在元胞中，元胞在三

47、维空间无限延伸）的统计和动态学研究得出：维空间无限延伸）的统计和动态学研究得出：某些体系的弹性常数某些体系的弹性常数可从整个系统应变的势能变化的二阶导数求出可从整个系统应变的势能变化的二阶导数求出Determination of the Mechanical Properties of Amorphous Polymers u Amorphous Cell:允允许许你你对对复复杂杂的的无无定定型型体体系系建建立立有有代代表表性性的的模模型，并对主要性质进行预测型，并对主要性质进行预测u 可可以以研研究究的的性性质质有有：内内聚聚能能密密度度(CED)、状状态态方方程程行行为为、链链堆堆砌砌以以

48、及及局局部部链链运运动动、末末端端距距和和回回旋旋半半径径、X光光或或中中子子散散射射曲曲线线、扩扩散散系数、红外光谱和偶极相关函数等系数、红外光谱和偶极相关函数等a:the chemical formula b:energy minimized molecular model of the monomerc:an amorphous cell of polyethersulfone chains d:the X-ray scattering intensity compared with experimental data e:principle of the mechanical test

49、 f:the potential energy obtained from the simulation 三三.聚合物共混物相容性的模拟聚合物共混物相容性的模拟 分子模拟过程：在屏幕上，通过选择各种化学结构基分子模拟过程：在屏幕上，通过选择各种化学结构基团或片断，合成出所需的高分子链，计算设计方案中两种团或片断，合成出所需的高分子链，计算设计方案中两种高分子间的相互作用，计算两组份混合的自由能。高分子间的相互作用，计算两组份混合的自由能。u 影响聚合物共混体系形态结构和力学性能的重要因素是影响聚合物共混体系形态结构和力学性能的重要因素是 什么？什么？u 聚合物共混体系相容性与力学性能的关系如何

50、？聚合物共混体系相容性与力学性能的关系如何？u 评价聚合物共混体系相容性的实验方法是什么？评价聚合物共混体系相容性的实验方法是什么？u 可能共混的各组分方案？可能共混的各组分方案？以往用实验以往用实验或半经验估算或半经验估算现在用分子现在用分子模拟技术获得模拟技术获得Study of Binary Blend Compatibility of Polyamide6 and Poly(vinyl acetate)with Different Degrees of Hydrolysis l MesoDyn:是是一一个个介介观观尺尺度度动动力力学学方方法法，用用于于研研究究跨跨越越长长时时间间过过程