分子模拟技术在高分子科学中的应用.ppt
- 文档编号:18912801
- 上传时间:2024-02-11
- 格式:PPT
- 页数:112
- 大小:9.60MB
分子模拟技术在高分子科学中的应用.ppt
《分子模拟技术在高分子科学中的应用.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《分子模拟技术在高分子科学中的应用.ppt(112页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第五章第五章分子模拟技术在高分子分子模拟技术在高分子科学中的应用科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MaterialsStudioMaterialsStudio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(MolecularSimulation):
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”(Theoreticalchemistry)或或“计计算算化化学学”(Computationalchemistry)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(Quantummechanics)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(Molecularmechanics)最最小小化化(neinincimization),模拟、构象分析(),模拟、构象分析(Conformationalanalysis)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(MolecularSimulation)量子力学量子力学(Quantummechanics)从头算从头算(AbInitio)密度泛函理论密度泛函理论(DensityFunctionalTheoryDFT)半经验分子轨道理论半经验分子轨道理论(Semi-empiricalMolecularOrbitalTheories,SEMO)蒙特卡洛(蒙特卡洛(MonteCarloMC)分子动力学(分子动力学(MolecularDynamics,MD)分子力学(分子力学(MolecularMechanics,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(abinitio)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(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(Molecularmechanics,MM)又称力场方法()又称力场方法(forcefieldmethod),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:
aa.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(ForceField)(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:
范德华作用,静电作用,氢键intermolecularinteractionsintramolecularnonbondedtorsionalbondstretchvalenceanglebend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MaterialsStudio(MS):
用于个人计算机:
用于个人计算机c.COMPASS力场力场MD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MD方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上幕上,便于直观了解体系在一定条件下的演变过程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)以及体系在外场作用以及体系在外场作用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聚乙烯的结晶聚乙烯的结晶四、蒙特卡洛法(四、蒙特卡洛法(MonteCarloMC)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nn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,可以描述电子结构的变化;nn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化,得到比分子动力学更精确的值;nn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,费时少,就获取某种状态的统计平均结构这一点而言,蒙特卡洛方法往往比分子动力学更有效;nn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,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:
lSybyl(药物设计药物设计),Tripos公司公司lQuanta/Charmm(生物大分子生物大分子)lCerius2(材料材料)lMaterialsStudiolInsightII(药物,大分子,材料药物,大分子,材料)lHyperchem7.5lMDL的各种化学数据库的各种化学数据库AccelrysAccelrysInc.Inc.(FormerlyMSI)(FormerlyMSI)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MaterialsStudio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MaterialsStudio5.5(2011年推出)年推出)版版多多种种先先进进算算法法的的综综合合应应用用使使MaterialsStudio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XX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MaterialsStudio是是一一个个模模块块化化的的环环境境,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lMaterialsStudio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MaterialsStudio工程进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lMaterialsVisualizer包括以下特点:
包括以下特点:
二、二、MaterialsStudio入门入门Modules菜单菜单AmorphousCell:
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)ProjectExplorerPropertiesExplorerJobExplorerlMaterialsStudio包括以下管理器包括以下管理器MaterialsStudio运行组织逻辑上有关的文档成一个集合,称之为工程。
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ProjectExplorer查看属于一个工程的文档。
查看属于一个工程的文档。
ProjectExplorerPropertiesExplorer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。
PropertiesExplorer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JobExplorer3.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MaterialsStudio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SketchAtom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AutoHydrogen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PropertiesExplores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SketchAtom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HH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:
10Build-Symmetry-Non-PeriodicSuperstructure(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HH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:
MSModeling3.2/Data/Examples/Documents/3DModel/Urea.msi2、计算氢键计算氢键从菜单中选择从菜单中选择Build/Hydrogenbonds3、调整晶胞显示的范围、调整晶胞显示的范围在在Displaystyle的的lattice栏,将栏,将Display部分沿部分沿XYZ方向方向的最大晶胞数(的最大晶胞数(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BuildCrystal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SpaceGroup栏栏中中,选选择择EnterGroup,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LatticeParameters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=4.910c=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AddAtom。
进进入入Atoms栏栏中中,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:
从从Build菜菜单单的的BuildPolymers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RepeatUnit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ChainLength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BuildPolylmers下的下的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RepeatUnit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ChainLength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Polymethyl_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BuildPolymers下下选选择择BlockCopolymer,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RepeatUnit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BuildPolymers中选择中选择RandomCopolymer。
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BuildPolymers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长的的核核心心,在在Re
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 分子 模拟 技术 高分子 科学 中的 应用