用来描述分子状态运动状态的概率统计方法，用这方法来描述行星的运动可以吗？会有什么缺陷？或好处？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-08-17 14:46 标签： 分子状态

【摘要】：这是一篇介绍分子动力学领域一个小研究点的硕士论文,其中主要涉及分子动力学的基础——分子力场的研究；生物大分子体系的动力学模拟是当前科学研究中一个重要的领域,例如药物分子的筛选,生物体系中各种功能分子的研究,这些都依赖于一种非常精准的描述分子之间相互作用能的半经验力场。所谓力场,也即包含一整套描述粒子间相互作用的数学函数形式,它需要确定数学函数的表达形式同时设定好函数参数；力场是动力学模拟的基础,只有恰当地描述好粒子之间的相互作用关系,动力学过程才能视为有效、准确,基于动力学模拟的数据分析才会是有意义的[1]。 经过多年的发展,分子力场在精准度上已经得到很大地提高,但是仍有不足,尤其是在描述静电相互作用的极化问题上[2]。所谓极化,在物理图景上说即是电子云运动状态的改变；半经验的力场采用了固定点电荷的方法来描述体系之间的静电相互作用,然而如果体系环境有很大的改变,这种方法无法有效地描述电子云的改变,产生的模拟结果有时候也有偏差甚至是错误的。 在过去的30年里,已经有大量的研究工作集中在如何将极化效应加入现有的力场模型中来[3],到目前为止主要是两类方法,即浮动电荷模型和诱导偶极模型,然而一种高效、流行的极化力场还未出现,因此发展出高效、准确的极化力场这一课题仍亟待完成；尤其是蛋白质的动力学模拟需要占用大量的计算机资源,而考虑极化效应的力场增加了计算量,从而导致计算效率的降低,因此在速度与精准度上取得平衡正是当下极化力场的发展中必然要考虑的因素,我们的研究方向正是朝着这样一个目标。 我们发展的EPB模型,也即有效的可极化键模型,原理是通过电荷在极性键上的游走来适应其周围静电环境的变化；因此,应用这种方法构建的蛋白质力场,从广义上来看,是一种基于可浮动电荷模型的极化力场,我们将各种必需氨基酸上的极性键都予以极化,也就是说连接这根极性键的两端原子的电荷都变得可浮动,具体的可浮动性由这根键的一个极化参数决定,所有这些极化参数都可以拟合一些量子化学计算的性质来优化。以EPB模型为原理发展的极化力场用来进行蛋白质动力学模拟,其结果与其它蛋白质力场的动力学模拟结果相比,与实验更为接近。 本论文分三部分来展开我的研究工作；第一部分是背景知识,先从整个研究领域讲起,简要介绍这个学科的基础知识框架,接着会延伸到我具体研究的方向,介绍下它的知识背景以及前入研究的成果,特别地会讲述动力学模拟中水模型的相关情况；第二部分开始具体介绍我们发展静电极化模型的方法,以及它在蛋白质力场、蛋白质动力学模拟中的应用,首先介绍这种方法的思想原理和程序化问题,接着是这种方法在蛋白质动力学模拟中的应用,最后会给出这项工作的总结和展望；论文的最后一部分主要介绍将这种新方法应用到水模型中的思路和成果。

【学位授予单位】：华东师范大学
【学位授予年份】：2014


高秋丽,陈红汉;[J];中国海上油气;2005年02期
段毅,吴保祥,郑朝阳,王传远,张辉,陶明新,刘金钟,张小军;[J];科学通报;2005年13期
梁逸曾,卓尚炯,董有方,夏萌;[J];湖南大学学报(自然科学版);1992年04期
熊永强,耿安松,刘金钟;[J];地球化学;2004年06期
代荣阳,周志远,李洪;[J];泸州医学院学报;2005年03期
张海祖;耿安松;熊永强;王铜山;刘金钟;;[J];天然气工业;2006年02期

本论文涉及分子力学力场(以下简称力场)方法及其模拟方法在材料科学中的应用。研究内容主要为三种不同类型的力场:第一,可以同时应用于金属氧化物体相和金属氧化物与有机分子相互作用界面的新型金属氧化物力场;第二,应用于计算液体传递性质的经典有机分子力场;第三,可以模拟凝聚相化学反应的AI-REBO反应力场。在建立和验证力场的同时,进行了大量的与力场相关的模拟方法,包括多种分子动力学与Monte Carlo模拟方法的研究。其中,对反向非平衡分子动力学方法(RNEMD)和应用AI-REBO反应力场的Monte Carlo方法进行了编程实现。论文研究工作得到了以下主要的结果与结论: 1.设计并开发了一个新的、可用于研究界面过程的准离子模型(sime-ionic)金属氧化物力场。该力场与传统金属氧化物力场形式不同,利用表观电荷描述库仑相互作用,并将成键相互作用与长程相互作用分开来处理。在描述金属氧化物体相的各种性质时均能达到或超过传统力场的计算精度。更重要的是,这一力场可以同其他经典有机分子力场相配合使用,用于模拟金属氧化物与有机分子相互作用的界面过程,这一特点是目前为止其它金属氧化物力场所不具备的。利用该力场进行了MgO表面吸附甲醇的等压吉布斯系综模拟,揭示了表面上复杂的作用方式和机理。 2.在非平衡分子动力学方法计算液体剪切粘度的研究中,首次发现了周期性微扰方法系统性的低估剪切粘度计算结果;找到了真正影响体系被扰动程度的物理量并定义了能够直接表征体系微扰程度的微扰指数,纠正了文献中片面强调微扰周期波长对计算结果影响的错误;发现了系统性低估粘度计算结果的主要原因,即由微扰产生的平行于微扰周期方向上的液体密度梯度造成。并基于这一特点创造了利用线性外推手段计算剪切粘度的方法。这一方法在应用于20多种不同类型的分子液体中都得到了与实验值相比比较满意的结果。 3.对经典力场在预测剪切粘度时在不同分子结构之间和不同状态之间的迁移性的问题进行了研究。结果发现,通过合理的、基于量子化学数据及液体静态性质(例如密度和蒸发焓)数据推导得到的分子力学力场可以用于预测液体的传递性质,计算精度基本可以控制在10%的误差范围以内。同时,力场参数的迁移性与分子结构的特点有关,在复杂分子结构间的迁移性并不十分可靠;然而力场在不同温度和压力状态条件下应用于粘度模拟时能够保持计算精度的稳定性。在利用RNEMD方法计算液体导热系数的研究中我们发现必须要考虑量子效应。在这方面一个简单的作法是利用联合原子力场来消除高频振动的量子效应。 4.对AI-REBO型碳氢化合物反应力场的质量在包括化学反应路径在内的原子组态空间(atomic configuration space)内进行了系统性的评估。结果表明,AI-REBO力场在计算稳定的化学结构时能够得到较准确和结果,但对远离稳定结构的状态或过渡态的能量计算有较严重的偏差,这些偏差都倾向于正偏差,即高估体系的能量。因此可以利用这一力场研究化学反应中各种稳定状态(始态和终态)化合物的浓度问题。如果要用以与反应动力学有关的研究,必须对该力场进行较大的修改。 5.设计并编写了AI-REBO力场与Monte Carlo方法相结合模拟凝聚相化学反应的程序。通过在单壁碳纳米管与立方烷的热分解反应体系中的验证表明该程序能够合理的预测化学反应产物的分配,为进一步的深入研究奠定了基础。

【学位授予单位】：上海交通大学
【学位授予年份】：2008


张青龙,沈毅,李真,吴国友;[J];陶瓷科学与艺术;2005年04期
孙永明;漆尧平;;[J];安全与环境工程;2006年01期
李闯;曾宪波;闫坤坤;彭黎;彭平;;[J];湖南大学学报(自然科学版);2010年04期
毛振伟,李凡庆,左健,卢江,谭舜,张庶元;[J];光谱学与光谱分析;1993年06期
胡建国,景昀,缪桂韶;[J];特种橡胶制品;1999年04期

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