多尺度理论模拟方法及应用III·粗粒化模拟

Posted by XiLock on April 14, 2024

丁二烯:

  1. Transferability of the coarse-grained potentials for trans-1,4-polybutadiene

聚苯乙烯:

  1. Transferability of Coarse-Grained Atactic Polystyrene Model: Non-bonded Potential Effect
  2. Transferability of a coarse-grained atactic polystyrene model: Thermodynamics and structure

分子模拟原理

  1. 分子模拟是计算化学的分支之一,包括:1)亚原子尺度的量子化学QC;2)原子尺度上的分子力学MM、分子动力学MD、蒙特卡洛MC;3)介观尺度上的粗粒化分子动力学CGMD、随机/布朗动力学SD/BD、耗散粒子动力学DPD。

量子化学计算方法原理

  1. 量子化学的理论依据是薛定谔方程,在传统量子力学方法中,有2种近似求解薛定谔方程的方法:分子轨道法、价键法。
  2. 在分子轨道理论中存在三种近似:非相对论近似、波恩-奥本海默近似、单电子波函数近似。
  3. 波恩-奥本海默近似:假设分子中m个核不动或冻结,电子在核周围运动,把核的相对运动(振动、转动)核电子的运动分离。
  4. 波恩-奥本海默近似的物理图像是:原子核的质量是电子质量的10^3~10^5倍,电子速度远大于原子核的运动速度,每当核的分布形式发生微小变更,电子立刻调整其运动状态以适应新的核场。这意味着,在任一确定的核分布形式下,电子都有相应的运动状态;同时,核间的相对运动可视为所有电子运动的平均作用。
  5. 基于波恩-奥本海默近似,电子波函数只依赖原子核的位置,而不是它们的动能。把电子的波函数和能量处理成原子核坐标的函数。
  6. 单电子波函数近似(单电子近似):假定n个电子的运动是彼此独立的,每一个电子是在m个核和n-1个电子组成的电场中独立运动,与其它电子无关,体系采用中心势场。
  7. 分子轨道法主要有两大类:简单分子轨道法、自洽场(SCF)分子轨道法。
  8. 简单分子轨道法包含只处理Π电子的休克尔分子轨道法(HMO)、处理全部价电子的休克尔分子轨道法(EHMO)。不直接处理电子的排斥积分项,代之以经验参数,也称为半经验量子化学方法。

  9. 与传统量子力学方法不同,在求解薛定谔方程的方法中,密度泛函从电子密度这一基本量出发,用电子密度代替薛定谔方程中的状态函数,解系统外势,进而得到哈密顿算量和其它物理量。与传统的用波函数做基本变量的方法(如HF)相比大大降低了变量的维度,能更加方便地处理多体体系。

分子力学

  1. 分子利学可计算当体系能量在极小值时各个原子的坐标位置,因此常在分子动力学模拟之前进行能量优化以使体系的势能不处于势能面上的某个极大值,保证正常的分子动力学计算。

分子动力学

  1. 分子力场所描述的使静态性质的势能面,而真实的分子除受势能影响外,还受到外部因素(如温度、压力等条件)的影响。
  2. 体系的热力学状态由一组热力学参数来决定(比如:作用单元数N、温度T、压力p),其它的热力学性质都可通过状态方程核热力学基本方程推出。

非平衡分子动力学

  1. MD相对于MC的优势在于考虑了时间的概念,可以沿时间轴跟踪体系运动,可用于计算时间相关函数(time correlation function, TCF)
  2. 在非平衡态模拟中,体系应力张量的计算十分重要。原子体系中应力张量的计算于分子体系中应力张量的计算不尽相同。
  3. 非平衡分子动力学模拟方法是在平衡分子动力学模拟基础上添加了各种类型的外加场。外力的引入对某些因素(例如分子力场参数等)影响不大,但对某些因素(如周期性边界条件),平衡分子动力学模拟方法中的牛顿方程求解过程则需要做相应的修改。

其它

  1. 传统PI材料颜色的产生主要归因于芳香族PI主链上存在的高共轭多芳环结构,易形成较强的主链内(二酐、二胺单元之间)及主链间CT(电荷转移)作用。
  2. 就Z-N催化体系而言,配体对催化性能的影响表现在下列几个方面:1)金属中心与烯烃的相互作用;2)金属-烷基键(M-R)的稳定性;3)其它配体与环上取代基的影响;4)空间效应。
  3. 当配体是一个电子给体时,将减少中心金属的净电荷,因此将减弱金属与其它配体的相互作用。特别是使得M-R键处于不稳定状态,从而增加了活性。
  4. 影响烯烃聚合催化性能的主要因素是:立体效应、电子效应。电子效应是主要的,可达80%以上。
  5. 过渡金属核后过渡金属的d电子构型存在差异。在前过渡金属催化体系中,M-R太稳定而不利于烯烃的插入,所以必须降低中心金属的净电荷,净电荷越低催化活性越高;后过渡金属M-R键不太稳定,必须增加中心金属的净电荷才有利于烯烃插入。
  6. 大分子局部的动态行为与其宏观动力学性能相关。这种动态行为在几个重复单位内可以表现为:1)键长伸缩振动;2)键角弯曲振动;3)二面角活动性。其中二面角活动性被称为构象态跃迁,在3中动态行为中最重要(因为另外2种仅在平衡位置附近振动,而通过构象态跃迁,高分子的构象可以发生改变)。
  7. 分子量越大,分子间作用力越大,溶解度越小。若链的柔性较大,其溶解就较容易,若链的柔性小或链是刚性的,则溶剂需克服链段间的相互作用力就比较大,溶解度必然很小甚至不溶解。
  8. 端基效应:高分子链的端基与链中部的结构往往有不同的性质,例如更快的构象态跃迁速度,更高的粒子活性,更高的电泳性能。而且端基部位更加容易形成缺陷,成环和更加倾向于存在于表面。
  9. Rouse最早给出了单链弛豫模式的经典高分子动力学图像,其假设的物理真实性取决于研究体系的屏蔽效应。在浓溶液中,屏蔽效应是长程有效的,而在小于热团(thermal blob)的距离内却是无效的,因此在浓溶液或熔体中,分子的运动通常被认为符合Rouse模型论述。
  10. Reptation模型。de Gennes称……为蠕动。周围分子网络对高分子链形成的约束类似于一个管道,高分子链从一个管道滑入滑出,其构象发生一次完全松弛;当高分子链扩散出管道时,管道即被“忘却”,且当分子反向运动时其所受的约束与之前的正向运动不再相同。随着高分子链不断运动,它不断“忘记”原始管道而从链端产生新构象。
  11. 对高分子蠕动行为理论的改进:轮廓长度震荡(contour length fluctuation,CLF)、约束释放(constraint release,CR)、对流约束释放(convective constraint release,CCR)等。
  12. 随分子链增长,高分子的动力学行为从Rouse动力学到Reptation动力学转变。
  13. 目前使用分子动力学模拟研究高分子缠结动力学仍存在很大的局限性,对于完全缠结体系(分子链长度大约在10个缠结长度以上),使用现代的超级计算级仍然需要数月才能打到分子链的松弛时间。因此目前MD在研究高分子缠结动力学方面仍主要集中在微缠结体系中分子链的短时动力学行为。
  14. 对聚苯乙烯体系,如果去掉力场中的二面角项和键角项,其松弛速度可以加快两个数量级。对于真实高分子体系,如何在MD中能够达到其松弛时间,目前主要的处理方法是忽略部分化学细节,使其自由度降低,即在全原子模型的基础上发展粗粒化模型,利用粗粒化模型进行MD模拟使其在较短时间内达到平衡,然后再对粗粒化模型进行细粒化将其还原为全原子模型。
  15. 珠-簧模型链除可以半定量地表现出剪切变稀等非牛顿流体性质之外,其预测地分子结构与散射实验也符合较好。


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