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计算机模拟方法在化学中的应用进展

关键词： 计算机模拟方法在化学中的应用进                                          

计算机模拟方法在化学中的应用进展

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（**古大学化学化工学院200*化学基地 ***特 010021）

 

摘要：本文对计算机模拟在化学中的应用做了回顾；综述了计算机模拟在微观和介观上的研究进展；对未来计算机模拟方法在化学中的应用做了展望。

 

关键词：计算机模拟方法   微观模拟  介观模拟

The Progress Of

Computer Simulation Method In Chemistry Application

 

Abstract:   This article has made the review to the computer simulationin chemistry application; Summarized the computer simulation inmicroscopic and mesoscopic research progress; Has madethe forecast to the future computer simulation method in chemistry application.

Key word： Computer simulation method  Microscopic simulation    Mesoscopic Simulation

 

一、引言

 

计算机自从问世以来，作为一种科学研究的重要工具，现在已经应用在自然科学的各个领域并由此发展了许多新的理论与方法。现在公认的是，计算机是理论研究的重要补充^[1-4]。它可以不加近似的给出某一模型的数值结果及直观图像，进而可以与试验相对照，从而对新理论的提出起到指导作用基于精度为精确力场的计算机可以用来辅助分子和材料设计^[6]，能够节省试验的搜索时间，节省大量的人力和财力。

 

二、研究进展

 

2.1蒙特卡罗方法研究与进展

 

蒙特卡罗方法^[7-9]。基于的是随机过程，20世纪80年代以来建立起来的优化反演理论和方法非线性最优化反演方法可以分为随机全局最优化方法和迭代最优化方法两类。蒙特卡罗方法属于全局搜索方法这类方法的优点是对初值没有依赖性，但是需要无限的时间在模型空间中进行搜索。它在采用Metropolis算法下，按照体系对应的Bbiltzmann因子，可以按其重要性进行取样，从而给出精确的系综方程。它属于微观模拟方法，从空间尺度上模拟的范围小于100A，时间尺度为纳米级，对于小分子来说，绝大部分的松弛过程都是在这两个数量级上完成的，对于复杂体系来说，分子链上连续几个运动角的转动，几个链段的重新取向等居于特征也在这两个尺度范围内，可以由蒙特卡罗方法进行研究。

随着现在非线性科学突飞猛进地发展，蒙特卡罗方法在化学上已经取得了可喜的进展。进入九十年代，蒙特卡罗方法化学的各个领域都成为研究前沿，这标志着化学一场新的革命的到来^[9]。

近年来，在理论上或试验上都有一定困难的高聚物微观机理，蒙特卡罗方法起了巨大的作用，比如李泽生、吕中元^[10]等研究单恋聚乙烯在特殊情况下化学键的参数；支链含量和长度在共聚烯结晶中作用；支链点对晶体的作用。另外通过蒙特卡罗方法，在高分子凝胶网的溶胀平衡的研究促进了对新型医用及环保材料的开发。

 

2.2分子动力学模拟方法

分子动力学模拟方法^[11]基于的是牛顿方程，按照体系的哈密顿其岁时间平均给出正确的系综平均。由于分子动力学模拟方法计算的体系比较大，是目前模拟核算、蛋白质等生物大分子结构和性质以及配体---受体相互作用的主要方法。

随着技术科学和分子图形学的发展，分子动力学模拟方法已被广泛的应用于分子设计，特别是药物的设计中^[12-13]，分子动力学模拟方法的重要性尤为突出。所以说给予蛋白质的分子设计已离不开分子动力学模拟方法。应用分子动力学模拟方法可以迅速的得到药物分子的低能构象，进行构象分析获得药效构象和药效今音；如果受体已知，还可以用分子动力学模拟方法模拟药物与受体的相互作用，最后的结果还要用分子动力学模拟方法进行优化。

由于计算方法和计算机的发展，特别是超级计算机和并行算法在化学中应用，分子动力学模拟方法在超大规模生物体系的模拟和长时间动力模拟方面取得了长足进展。伴侣蛋白Groel^[14]在细胞内的蛋白质折叠构成中起关键作用，该蛋白的作用机理是近年来的热点。因其超大的分子量，该分子晶体结构的测定曾为生物学的一个里程碑。然而Groel作用机理的动态过程目前还无法用试验方法进行测定。因此对带白纸折叠过程中进行分子动力学模拟方有重要意义。Baylor医学院的马剑鹏教授经过3年的努力，用分子动力学模拟方法成功揭示Groel的功能周期中ATP驱动结构的规律。为国际第一个分子动力学模型^[15]。

分子动力学模拟方法的另一个重要应用是用全原子模拟蛋白质的折叠过程。1998年，中国学者段勇用原子力场模型对36肽小蛋白进行微秒的长时间分子动力学模拟，得到这一蛋白的折叠过程。这是首次用基于分子动力学模拟方法得到蛋白质折叠途径，也是首次微秒的分子动力学模拟^[16]。这一成功导致IBM的蓝色之音计划的产生。

 

2.3 其他计算机模拟方法

与高分子直接相关的静态、动态物理特性往往处于微秒、微米级尺度上。在这种尺度上，出现了耗散粒子动力学^[17-19]、格子玻耳兹曼方法^[19]、场论模拟方法^[19]等粗粒化模拟方法。严格意义上，这几种方法都是把描述体系的哈密顿与微观坐标相关的部分先积分，从而只剩下长波长相关量。

在耗散例子动力学中^[19]，体系代表多个多个高分子边段，积分步长可在尺度上达到毫秒级。它已经应用到注入高分子共混物、胶体----高分子体系片断共聚物的微观分离、高分子黏弹移动、高根子溶液相行为等。

在格子玻耳兹曼方法中^[19]，可以在介观尺度上实现平衡的模拟^[20-22]。此方法已经被运用在研究高分子溶液的单链动力学行为，得到的结果与单纯用分子动力学方法相符的很好，但是效率却高20倍。此外，还应用与单一相对分子量均聚物上等。

 

三、展望 

传统的计算机模拟方法可以分为蒙特卡罗方法与分子动力学模拟方法，两者实现的却是相对空间的正确取样，在时间趋于无穷时，两种算法是等价的。在40多年的发展中在微观模拟方面都起了巨大的作用。而近几年得到广泛运用的耗散粒子动力学、格子玻耳兹曼方法、场论模拟方法等粗粒化模拟方法在介观模拟方面更具有优势。如何准确的建立从微观到介观的模型之间的一一对应关系，是单前计算机模拟的重难点。在此基础上，将复杂的流体介观与微观分子结构从上到下联系起来，将介观与微观模型无逢连接，从而建立对复杂流体微观、介观模拟途径是当今化学工作者应解决的问题。

 

 

参考文献

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【作者: sputnik】【访问统计:】【2005年11月20日 星期日 07:48】【 加入博采】【打印】