计算化学与分子模拟方法及MS软件简介

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(1.西北民族大学甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室,甘肃 兰州 730030;2.西北民族大学 化工学院，甘肃 兰州 730030)

当前随着计算化学的快速发展，计算化学对于实验的辅助以及实际应用越来越成熟，分子模拟作为计算化学的一个重要分支，在实际试验中一些很难直接获得的数据或者需要通过一整套繁琐实验才能得到的数据，通过分子模拟方法，利用计算计进行模拟能够很轻松的获得实验需要的辅助数据，通过分子模拟计算获得合理的分子结构与分子行为，从而为进一步的实验提供一定的理论基础[1]。

1 计算化学

1.1 量子力学方法

量子力学方法从理论上来说是通过从头计算方法[2]，半经验分子域方法[3]，密度泛函理论[4]等方法来对电子与电子核性质进行精确的描述，从而得到分子的相关性质。三种方法各有优缺点及适用范围，从头计算方法适合计算小分子的平衡几何，扭转势及其电子激发能。半经验分子域方法对薛定谔方程[5]实现了优化，进一步优化了计算过程，提高了计算效率。密度泛函的理论基础是用电子密度为变量来构造体系能量泛函，从而建立起来以单粒子密度的泛函为基础的电子相关模型，似的复杂的多电子问题得以轻松解决，大大拓宽了计算体系及其计算效率。

1.2 分子力学法

分子力学法也称为力场法,是一种非量子力学技术，可以解决分子水平上的问题。牛顿力学和统计力学理论是分子力学法的理论基础，分子力学在计算时，以计算分子结构的相对位能大小时是与分子内部应力相关联的，具有很大的关联度首先选择适合模拟体系所需要的合适的力场[6]，然后对体系需要进行计算的原子进行能量最小化计算，在体系达到平衡状态时，在对体系的原子进行足够步数的动力学计算，最后对计算结果进行分析。分子的力场含有许多可以通过量子力学计算或实验方法得到参数，通过计算原子间的相互作用，分子力学法在计算各类聚合物模拟体系的热了学参数及其分子构想有重要的应用[7-9]。

2 分子模拟方法

2.1 蒙特卡洛方法(简称MC)

早在20世纪50年代，MC方法就应用到聚合物科学的研究之中。开创性的工作是Wall在为研究聚合物链的排除体积问题时所做的蒙特卡洛模拟[10-12]。基本模拟过程是在某些系统条件下，在两相间粒子的位置转移或将系统内粒子进行随机的位移、转动。MC方法的理论核心就是一种通过通过Metropolis抽样方法[13-14]，进行实验统计的计算机模拟方法，基础是建立一个能够代表真是体系的概率模型，进而通过对所建立的抽样模型计算来得到实际问题的近似反映。MC方法在研究材料和环境科学方面涉及到的吸附分离方面的问题有着非常重要的价值，经常被用来探究体系的平衡性质以及材料的微观机构特性。

2.2 分子动力学方法(简称MD)

分子动力学方法(MD)在化学、物理、材料学等学科的众多领域得到广泛应是一种重要的计算机模拟方法。模拟过程是从分子力的计算开始，基于牛顿力学原理，在一定的系综条件下，通过探究每个粒子的牛顿力学方程的求解规律进而得到系统的粒子的势能和动量与时间的关系，进而通过对时间进行的积分，获得体系的宏观性质，例如系统的压力、能量、粘度等，以及组成粒子的空间分布[15]。

3 Materials studio模拟软件

3.1 Materials studio软件介绍

分子模拟软件众多，各有优势，针对不同的体系选择合适的模拟软件往往能起到事半功倍的作用，同时合理的运用分子模拟软件对于实际的实验与模拟的关联起到了桥梁的作用。在众多的分子模拟软件中，一款由美国 Accelrys公司开发的材料科学软件Materials studio软件展现了其强大的功能和独特的魅力，MS软件综合应用了计算化学的量子力学法以及分子力学法，以及分子模拟的蒙特卡洛和分子动力学模拟方法。通过整合使用这些先进理论和计算方法，MS软件实现了对材料进行不同粒子尺寸和时间范围内的评估和计算，通过对各种小分子、纳米团簇、晶体、 非晶体以及高分子材料的性质进行深入的挖掘，为实际的科学研究提供了切实可靠的实验数据[16-17]。

3.2 Materials studio软件的核心模块和功能

MS软件模块很多，不同的模块有着不同的功能，模块之间往往在进行分子模拟计算时也都互相有着关联作用，下面就其主要计算模块[18-21]和功能做一下简单的列表，见表1。

表1 MS软件主要模块及其功能

4 结论和前景

分子模拟技术来设改性、设计化工新材料和新产品，大大减小了人为造成的数据和分析误差，与此同时对于节约实验成本，辅助提高实验结果准确性，加快研发进程具有重大作用。随着计算机技术的进一步发展以及分子模拟方法，机理的成熟，分子模拟技术与传统的实验手段一定能够得到很好地互补，共同前进，广泛应用于化学科学和材料科学领域的产品和工艺开发中。与此同时，Materials Studio 是一种很有前景的分子模拟软件，整合于分子模拟方法，MS软件不断优化，其重要使用价值正在化学科学和材料领域的不断扩展。