TATB高温高压下初始分解反应的分子动力学模拟

在凝聚相含能材料的反应过程中,反应体系往往需要高温高压的反应条件,且其中原子、分子的反应往往具有不同于气态分子的反应路径.因此,除需对体系分子的结构及电子性质进行计算分析外,还需对体系分子做反应动力学分析.本文采用ReaxFF分子动力学方法模拟了凝聚相下1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)分子的初始反应过程,通过对分子产物随时间的分布、分子产物在不同时间段内的分布等分析,总结了其在反应初期的一些反应过程.结果显示,C-NO2键的断裂及质子转移为引起更复杂化学反应的初始反应.     

分子动力学模拟中支持CIF蛋白质文件格式（英文）

分子动力学(MD)模拟能够以非常精细的时间分辨率捕捉蛋白质的全原子动态行为,因此它已经成为蛋白质动力学研究的重要工具。当前有多种MD软件包被广泛使用。MD模拟需要从一个蛋白质初始结构开始,而初始结构一般来自蛋白质数据库(PDB)。直到2014年,PDB文件格式一直是蛋白质结构的标准格式。然而,PDB格式存在一些内在缺陷,例如以固定宽度存储结构信息,这对于超大型蛋白质复合物来说存在问题。因此,CIF文件格式被提出来替代PDB格式,前者的特点是具有出色的扩展性。据我们所知,目前主流的MD软件包只支持PDB格式,而不直接支持CIF格式。在本研究中,我们修改了一个MD软件包GROMACS的源代码,使其能够支持输入CIF格式的蛋白质结构文件,并生成拓扑文件。这项工作将简化大型蛋白质复合物MD模拟中的预处理过程。     

液态金属原子大系统凝固过程模拟的并行算法研究

对原来只适用于在微机上对由500～1000个液态金属原子组成的小系统的凝固过程进行分子动力学模拟研究的串行计算程序作了分析,并进一步将其改造成为可以在YH-3M型巨型机上对由50000～100000个原子组成的大系统的凝固过程进行分子动力学模拟研究的并行计算程序.使模拟研究的系统可容纳的原子数扩大100倍以上,因而其模拟研究的结果更接近于真实情况.     

单原子合金催化剂热稳定性的反应力场分子动力学研究

通过反应力场(ReaxFF)模型分子动力学模拟,研究了负载模型和掺杂模型单原子催化剂(分别记为M_1/Cu(111)和M_1@Cu(111),M=Pt,Ni,Ag,Fe)的热稳定性.模拟结果显示:对于M_1@Cu(111)掺杂模型,Pt(Ni,Fe)_1@Cu(111)的稳定性远高于Ag_1@Cu(111),温度大于500K时依旧可以保持稳定.而负载模型M_1/Cu(111)除了Fe_1/Cu(111)以外,其余模型在100～500K的温度范围中均无法保持稳定,单个金属原子会在Cu(111)表面迁移并相互聚集最终形成纳米颗粒.同时发现,随着温度的升高,Fe不同于其他金属单原子的烧结过程,会向亚表层扩散,进入合金体相.此外,还优化了Cu/Pt/H/O的力场参数,并研究了H_2气氛对单原子催化剂(SAA)催化剂模型表面稳定性的影响,发现H_2气氛的存在导致M_1@Cu(111)模型稳定性降低.理论模拟结果发现M_1/Cu(111)型SAA催化剂即使在低温下也不是一个很好的候选催化剂,而多数M_1@Cu(111)型催化剂在较高温度下依旧可以保持稳定.     

基于多尺度仿真方法的单晶铝纳米切削过程研究

分子动力学切削仿真方法所能模拟的原子数量有限.为了扩大切削仿真规模,该文采用分子动力学与有限元相结合的方法,在QC(Quasicontinuum)方法程序内核的基础上,结合纳米切削仿真的特点,编制出纳米切削多尺度仿真程序.用该程序进行了单晶铝纳米切削过程的多尺度仿真,进而分析了刀具角度对切削过程的影响.仿真结果验证了纳米切削多尺度仿真的可行性.     

PP与PA6共混相容性的分子、介观动力学模拟

运用分子动力学(MD)和介观动力学(Meso Dyn)方法,分别从微观和介观层面研究不同PP/PA6(10/90、30/70、50/50、70/30、90/10)共混比的相容性和结构相貌。MD模拟中比较Flory-Huggins参数(χAB)和临界作用参数(χC)以及分子间C-C原子对径向分布函数。结果显示:当PP/PA6混合比为10/90和90/10时相容性较好,其他混合比的相容性很差。为获得介观层次混合体系的相貌结构,运用Meso Dyn方法研究混合物平衡态的等密度图并计算混合物的有序度参数,结果发现:PP/PA6共混比为10/90和90/10时混合物有序度参数略小于0.1;而其他混合比体系的有序度参数都大于0.1,介观模拟得到的结果和微观模拟的结果高度一致,验证了计算机模拟的准确性。     

聚酰亚胺高温热解反应的分子动力学模拟

使用ReaxFF分子动力学(ReaxFF-MD)模拟方法研究聚酰亚胺固化物在3 000、3 500和4 000 K温度下的热裂解特性.结果表明,热解的引发反应主要是酰胺键的断裂,热解的主要产物是H_2O、H_2和大分子碳团簇,同时观察到少量CO、HCN和N_2等小分子.当反应温度升高,裂解速度加快,其中H_2生成速率明显加快.分别观察到H_2O和H_2的2种主要生成途径.反应过程中可以观察到类似石墨烯结构的碳团簇的形成.使用ReaxFF方法模拟聚酰亚胺高温热解可以得到与实际实验相一致的结果并能跟踪反应过程.     

1,3-二甲基金刚烷热解和燃烧的ReaxFF反应动力学模拟

采用基于ReaxFF反应力场的分子动力学方法研究了1,3-二甲基金刚烷(1,3-DMA)在不同温度和质量浓度下的热解和燃烧反应.结果表明,1,3-DMA热解反应开环方式有5种,产物主要为H2,CH4,C2H2,C2H4,C3H4,C3H6,C4H6,观察到H2的生成方式有两种.1,3-DMA燃烧反应主要产物是H2O和CHO类小分子,观察到H2O的生成方式有2种.同时研究了影响热解和燃烧反应速率的因素,温度越高、反应物质量浓度越大热解和燃烧反应速率越大.用ReaxFF动力学方法模拟所得到的结果与实际实验结果一致.     

单晶Al熔化的分子动力学模拟

采用Adams嵌入原子势(EAM),利用分子动力学方法对单晶Al的熔化过程进行了模拟,分析了Al样品体熔化过程中结构、能量的变化及表面熔化过程中固-液界面的移动情况.模拟的结果表明:对于Al样品体熔化过程,体系的体积和内能在1 205K发生突变;通过计算1 000-1 200K下Al的表面熔化速度,得出热力学熔点为985K,与存在的实验结果基本吻合.     

金属Ta中刃型位错弛豫结构和能量的原子级模拟

采用改进分析型嵌入原子法(Modified Analytical Embedded Atom Method,MAEAM),结合分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟方法,从原子尺度对金属Ta中的a[100]刃型位错弛豫结构和能量进行了计算机模拟.结果表明,弛豫后的平衡结构具有C2v型群对称性;当径向距离R≥1.5b=4.953 9×10-8cm时,单位长度位错线应变能Es与ln(R/2b)成线性关系,由此确定的位错芯区半径rc=4.953 9×10-8cm,由线性拟合的截距确定的畸变能Ecore=1.574 5×108eV/cm.     

生物大分子的分子动力学模拟过程在百万亿次集群上的部署优化

分子动力学模拟作为研究生物大分子功能和性质的新工具,已广泛应用于蛋白质和核酸等物质的分子动态学行为研究,但目前常规分子动力学模拟时间尺度较小,不能达到生物大分子分子动态行为的有效取样范围。温度副本交换分子动力学可同时运行多个独立模拟,明显提高模拟时间的可及尺度,但需要千核以至万核的计算资源,目前已发表的相关文献其模拟体系使用的计算资源均较小。本文利用国家超算济南中心的神威4000A百万亿次集群,首先进行单副本的分子动力学模拟,然后利用外切纤维素酶催化结构域的模拟体系(约5万原子)进行多达128个温度副本的分子动力学模拟,一次模拟任务最多成功利用6 720个CPU核心同时进行计算,最高总运算速度累计达到2 274 ns/d,这为分子动力学模拟利用上万核心进行计算提供了新的思路。     

分子动力学研究难熔金属(V、Nb和Ta)熔点

根据分析型嵌入原子模型(MAEAM)和分子动力学(MD)方法,在NPT系综条件下从原子尺度上研究难熔金属V、Nb、Ta的内能、结构、密度等物理量随温度变化,并根据各物理量随温度突变得出3种金属晶体熔点分别为(2 180±20) K、(2 820±20) K、(3 280±20) K,所得到的结果与已有实验值吻合.本文根据径向分布函数随温度变化,从微观方面探讨金属熔化过程及其引起它们熔化原因,为进一步研究金属在高温条件下特异性能打下了基础.     

分子模拟研究小分子在聚硅氧烷中扩散行为

采用分子动力学(MD)法,在298 K的温度下,对H2,He,O2,N2,CO2,CH4,H2O以及ethanol在聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚丙基甲基硅氧烷(PPMS),聚辛基甲基硅氧烷(POMS)以及聚苯基甲基硅氧烷(PPhMS)4种聚硅氧烷体系中的扩散进行模拟.选用对凝聚态的结构和性质描述更为准确的COMPASS分子力场模型.体系进行能量优化后得到的密度和玻璃化温度的计算值和实验值的对比表明模拟体系接近于真实体系.随后进行分子动力学模拟得到小分子的运动轨迹,对小分子扩散的两种方式进行了讨论,探讨了侧链对扩散过程的影响.     

闪电产生一氧化氮（NO）过程的理论研究

依据闪电产生氮氧化物(LNOx)的基本理论,利用有关化学反应速率的半经验公式,计算了在闪电消散阶段对产生一氧化氮(NO)有主要贡献的化学反应的速率. 结果分析表明:闪电冲击波之后,通道温度从10 000 K衰减到2 000 K的过程中,等离子体复合生成氮氧化物(NOx).随着温度的降低,生成N原子和O原子的化学反应速率逐渐减小,而由N原子和O原子复合生成NO及O2、N2的反应速率逐渐增大,当温度衰减到2 000 K左右时,复合生成NO的主要反应的速率最大.由此推断:对于给定的反应物浓度,此时生成NO达到最多.     

强流脉冲离子束表面改性奥氏体不锈钢分子动力学的研究

用分子动力学方法(MD)研究了高能离子束辐照奥氏体不锈钢表面,并采用热尖峰模型模拟了辐照条件下的能量传递过程。通过对能量分布和原子运动的分析,确定了能量消耗的机理:一部分能量通过蒸发和热传导被表面的原子消耗,另一部分以激波的形式在基体中传播。热传导缓慢造成的高强度蒸发和表面原子的再吸附共同作用,导致了表面的光滑过程。     

分子动力学模拟金属（V、Nb、Ta）的热膨胀

根据分子动力学（MD）方法,从原子尺度上研究了难熔金属V、Nb、Ta在各自熔化温度下的热膨胀和晶格常数随温度的变化,所得结果与已有的实验值相吻合,并从微观方面探讨了热膨胀产生的内在机制及其对金属熔化过程的影响．     

铀酰离子-细胞色素b_5复合物的分子动力学模拟

铀酰离子(UO_2~(2+))的生物学毒性是由于它能与蛋白质形成稳定的复合物而破坏了蛋白的正常功能。通过使用分子建模和分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟,对铀酰离子-细胞色素b_5复合物(UO_2~(2+)-cyt b_5)进行了结构预测。模拟结构显示,UO_2~(2+)通过配位和氢键作用结合到Cyt b_5中谷氨酸Glu37和Glu43,导致Cyt b_5的动力学行为发生轻微改变,而对蛋白整体结构几乎不产生影响。这些现象与Cyt b_5的体内形成以及作为电子传递蛋白的生物功能紧密相联。这些原子水平上理论信息的获得,为铀酰离子的毒性机制,尤其是涉及Cyt b_5的细胞凋亡,提供了深刻内涵。     

分子动力学模拟金属(V、Nb、Ta)的热膨胀

根据分子动力学（MD）方法，从原子尺度上研究了难熔金属V、Nb、Ta在各自熔化温度下的热膨胀和晶格常数随温度的变化，所得结果与已有的实验值相吻合，并从微观方面探讨了热膨胀产生的内在机制及其对金属熔化过程的影响．     

三氢-咪唑并[4,5-c]喹啉-4(5H)-酮衍生物与二肽基肽酶-4结合机理的理论研究

通过分子对接、分子动力学(MD)模拟和结合自由能分析的方法研究了三氢-咪唑并[4,5-c]喹啉-4(5H)-酮衍生物药物与二肽基肽酶之间的成键机制,分析和讨论了抑制剂和相邻残基之间的氢键和疏水相互作用.用MM-PBSA方法计算得到的4个抑制剂的结合自由能与实验上测得的结果是一致的.抑制剂与DPP-4的关键残基间的范德华相互作用对于体系的结合能有较大的贡献,并且是区分不同抑制剂生物活性的标志之一.     

合金纳米粒子生长形态的分子动力学模拟

选用Cu–Ag纳米粒子作为研究对象,采用分子动力学方法和嵌入原子模型模拟了将Cu原子注入到由Ag原子构成的纳米粒子的过程,研究了注入能量(10,30,50 e V)与纳米粒子结构的关系。采用共近邻分析技术对合金纳米的结构演变进行了研究。模拟结果表明:当入射原子动能为50 e V时,合金纳米粒子从截角八面体转变为二十面体结构。这种转变是因为入射原子与基底原子碰撞,促使系统温度升高。