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双亲分子膜的模拟研究与热力学标度Monte Carlo方法的开发

王卉  
【摘要】:双亲性表面活性剂分子由于其特殊的分子结构很容易在界面上自组装成介观尺度下有序结构,比如液膜或者在溶剂中形成胶束。液膜(Liquid film)作为一种重要的分离手段,在理论研究和实际应用中已得到了很大的发展。液膜是否稳定与膜相体系的组成紧密相关,而且表面活性剂在膜体系中所起作用是至关重要的。本文针对液膜体系的表面活性剂分子在汽液界面的吸附状态及稳定性作了一系列晶格蒙特卡洛方法(Lattice Monte Carlo, LMC)的分子模拟研究。 具有双亲结构的磷脂分子,是构成生物膜的重要组成部分。本文中研究的磷脂分子是二棕榈酰磷脂酰胆碱,简称DPPC。这种分子在实验上已成功应用于制备LB分子有序薄膜,但在其微观层面表面波动还是研究的难题。为此我们使用分子动力学方法(Molecular dynamics, MD)模拟了磷脂分子DPPC所构成双层膜的表面波动情况,为理论研究和实际应用提供了重要依据。 在流体相平衡的计算中,计算机模拟应用于实际体系的障碍在于表征分子间相互作用的力场参数的确定,尤其是交互作用参数。交互作用参数的确定目前只能进行繁琐的迭代或试差,为解决这一问题,作者在这一方面做了一些新的尝试。 本文具体的主要内容包括: 1、采用晶格蒙特卡洛(Lattice Monte Carlo, LMC)方法模拟研究了由表面活性剂分子构成的液膜体系形貌及形貌转变,重点考察表面活性剂分子在临界胶束浓度(Critical Micellar Concentration, CMC)附近在汽液界面和液膜主体溶液中吸附状态的转变。通过分析我们发现在临界胶束浓度附近,表面活性剂分子在汽液界面上和液膜主体溶液中有很明显的涨落,形成了两个相对稳定并交替变化的状态,这是一个双稳态。 2、使用了Gromacs软件以及Marrink粗粒化模型对磷脂分子DPPC进行了分子动力学(MD)模拟。分别研究了压缩常数,压力和模拟盒子尺寸对磷脂双层膜浓度分布的影响,研究了表面张力在生物膜中的传播特征。 3、本文利用Graham, Valleau和Kiyohara等人提出并发展的热力学标度(Thermodynamic Scaling)方法来拟合交互作用参数δ,并提出了一种优化热力学标度方法中权重的方法,这种基于微扰思想的方法只需对参考态进行一个模拟计算,它的计算收敛很快,不仅极大节省了计算量而且提高了计算精度。本文也讨论了这种方法推广应用于流体相平衡计算的可能性。


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