分子动力学模拟的若干基础应用和理论

【摘要】：分子动力学是分子模拟中正迅速崛起的一种方法,被广泛应用于计算系统的热力学、动力及结构等性质,具有广阔的发展空间和良好的应用前景。本论文以分子动力学模拟为研究手段,对其在一些基础及理论研究诸如主客体包结、纳米粒子分子间作用、化学键断裂及物质的某些物理性质等领域的应用进行了许多新的尝试和系统性研究,获得了许多有益的结果。 对以环糊精为主体、甲基苯酚异构体为客体的主客体包结研究表明,范德华作用、氢键作用、疏水作用和溶剂效应对主客体的包结行为、客体的运动、主体及包结物的动态结构等存在重要影响。模拟结果表明,分子动力学模拟技术加上适当的编程技术可以细微地观察到实验技术所无法看到的许多微观景象特别是动态结构的图像,也可以证实和解释某些实验现象,为实验研究提供理论解释和佐证。 对以金簇包裹不对称硫醚链形成的纳米粒子为例的分子问作用研究表明,无论是物理吸附还是化学吸附,无论金核是晶型、准晶型还是非晶型,纳米粒子都能稳定地存在。模拟得出的解释是,金核是稳定的,因为其具有晶体或类晶体的结构;冠是稳定的,因为链通过采取弯曲构象增加了链间的相互作用从而降低了能量;能量是允许的,因为金核吸附链后非键能大幅降低;一定条件下受热是稳定的,因温度升高后链采取了更为弯曲的构象以降低系统能量及保持内核的稳定性。而对链间相关性的研究结果表明,冠中链通过相互作用形成一个个相关组,每个组中苯环通过平行和垂直两种方式相互关联,这种相关性为链间电子的传输提供了可能性。 为能利用分子动力学模拟研究化学键断裂,创造性提出了一种全新的用于对烷烃裂解行为进行分子动力学模拟的势能函数—RPMD势,并据此开发了一种新的力场—CRACK力场。应用CRACK力场,利用分子动力学模拟方法对正辛烷和正癸烷的热裂解行为进行了研究。研究表明,RPMD势确实能描述化学键断裂和分子间重组行为。对裂解产物分布的分析也得到了与实验可以相比较的产物分布结果。多数模拟结果都是可以接受的,说明RPMD势的思路是可行的,尽管在定量上仍存在一定的偏差。这一新的反应势的提出可以给利用分子动力学研究各种简单反应过程动力学提供一新的手段。