基于Gay-Berne势能模型的粗粒化分子动力学模拟研究有机分子体系的各向异性相态
粗粒化分子动力学模拟由于在计算效率和模拟尺度上的优势，已成为分子模拟研究各种有机分子体系的有力工具。特别是在模拟生物大分子体系时，相对全原子的分子动力学和量子力学，其计算的速度优势尤为明显。然而，研究者开发的粗粒化模型往往只能针对特定的体系，具有一定的局限性。因此，对目前已有的较为通用的粗粒化势能模型的推广和改进是件很有意义的研究工作。Gay-Berne势能模型由于同时考虑势阱深度与分子形状的各向异性，而在模拟具有各向异性结构特点的热致液晶分子体系取得了巨大的成功。然而，不只是液晶分子存在各向异性相，很多其他类型的有机分子也有各项异性的结构特点。针对那些非液晶的各向异性分子，有必要考察移植Gay-Berne势能模型可行性的。
本文建立了基于Gay-Berne势能的小尺度单链珠粗粒化模型用于描述正丁醇分子的形状，正丁醇分子的结构由密度泛函理论计算优化得到。由于正丁醇分子相比液晶分子，分子的长宽比即延伸率偏小，因此需要重新设定一套Gay-Berne势能作用参数。通过在四种特殊构象（边对边、头对头、交叉和T型）下将由密度泛函理论计算得到的势能数据与Gay-Berne势能函数表达式相拟合，实现GB势能模型的参数化。然后运用分子动力学模拟了液态正丁醇的冷却过程，模拟条件如密度等尽量接近实验条件。通过分析体系的热力学性质和结构性质随温度下降出现的不连续变化，我们发现了类似于实验得到的玻璃态相并估计出玻璃态相变点为120±10K，与实验值(120±1K)符合较好。研究结果表明这种分子尺度的粗粒化模型在模拟像正丁醇分子这样的小型有机分子的可行性。
对于分子量比常规液晶分子还大的双亲性分子，本文还运用了一种改进的Gay-Berne势能模型来实现其粗粒化。这种改进的模型考虑了双亲性分子的二元结构特点，即亲水端与憎水端与水溶剂分子的吸引作用明显不同。通过运用基于这种改进的Gay-Berne势能的粗粒化分子动力学模拟，本文得到了双亲性分子在不同浓度下的自组装相并讨论了低浓度下双亲性分子的形状对其自组装相行为的影响。最后还研究了同时含水和油两种溶剂情况下的双亲性分子的自组装相行为。
Gay-Berne势能模型;粗粒化分子动力学;数值模拟;各向异性;有机分子
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
黄世萍
2012
中文
O621.2
89
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）