耗散粒子动力学方法在生物学领域的应用与研究进展:从蛋白质结构到细胞力学

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)是近年发展起来的一种介观尺度的数值模拟方法,是研究软物质和复杂流体动力学行为的一种重要手段.这种新型介观模拟方法采用粗粒化粒子模型描述具有关联性的原子团或物质团,并通过简单的软排斥作用力描述粗粒化粒子间的相互作用,从而实现更大时间和空间尺度的复杂系统模拟计算,如油/水/表面活性剂体系、聚合物和胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及复杂流体流变特性的模拟等.本文首先介绍了DPD方法的理论框架,继而详细综述了DPD方法在生物系统中的应用.具体地,在分子尺度,我们重点介绍了该方法在蛋白质结构及其相互作用、两亲性脂质分子膜的结构与动力学、脂质膜与蛋白分子相互作用、纳米颗粒与脂质膜相互作用等方面的研究现状和研究热点.在细胞尺度,我们归纳了DPD方法在模拟血液微循环系统中血细胞的流动和血液流变学行为等方面的应用进展,包括红细胞的变形及流动,白细胞边聚及黏附行为,血小板边聚、黏附及聚集行为,健康与疾病状态下血液流变学特征,循环肿瘤细胞迁移、黏附及分选富集等.此外,我们总结了用于模拟血细胞变形及血液流动的其他数值模...     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

均匀球状α-Fe_2O_3胶体粒子的制备

所谓均匀胶体粒子是指不但组成、形状相同,而且粒子尺寸分布十分狭窄的胶体粒子。均匀胶体粒子在研究胶体界面双电层的电特性,吸附特性以及絮凝稳定性等方面具有重要的理论意义。由于均匀胶体性质的重现性,才使得对溶胶体系的研究走向真正的定量化。尤其对于球状粒子。在理论研究中具有模型简单、数学处理较方便等优点。在工业中,如防腐、催化     

活性胶体的个体行为与动态自组装

近几年,活性物质的研究引起了科学界的高度兴趣,它们能够依靠不断消耗周围的能量实现自驱动,同时使系统处于热力学非平衡态,例如鱼群、鸟群、细菌菌落以及细胞组成的组织等.在这些群体中,个体成员之间可以通过某些简单的规则进行"通讯",进而呈现出有趣且相对复杂的群体行为.长期以来,细菌被用作模型系统以研究个体行为如何导致群体行为.最近,对能够自主运动和动态自组装的人造胶体颗粒的研究快速发展,并且受到了广泛的关注.这类胶体颗粒又被称为微纳米马达,能够自发运动,并且易于制备和功能化,具有良好的均一性,因而能作为细菌的补充,帮助我们更好地研究活性物质.本文综述了活性胶体领域近几年的主要发展,包括自然界中存在的微生物和人造胶体颗粒.在对细菌的研究进行简要介绍后,重点介绍了人造活性胶体颗粒实验方面的进展.首先介绍了几种主流的人造活性胶体体系,并且着重介绍了其驱动机理;随后概述了这些活性胶体颗粒在动态自组装方面的研究进展.活性胶体颗粒之间可以经由化学物质梯度、静电力相互作用、范德华力以及流体力学相互作用等机制,出现成对组装、团簇、群聚以及其他动态行为;最后对本领域未来的发展进行了讨论和展望.     

非牛顿幂律流体电渗微混合的数值模拟

微混合是芯片实验室中实现快速反应、分析和检测的一个重要前提.为了研究非牛顿幂律流体的微混合特性,应用有限元法对壁面存在异构zeta电势的平板微通道内流动进行了数值模拟.研究结果表明,幂律流体表观黏度的差异对动电现象具有不同的效果,对混合效率有显著的影响.流体的剪切变稀特性有增强动电现象的趋势,剪切变稠特性则相反.当流体幂律指数减小时,可以获得更好的混合效果.相对牛顿流体和膨胀性流体而言,假塑性流体采用电渗微混合具有更高的效率和实用性.通过对外加电场和zeta电势的调控可以改善混合性能,假塑性流体比牛顿流体和膨胀性流体对参数更敏感.     

Si_4+Si_3与Si_5+Si_3团簇碰撞分子动力学

自从1985年Kroto等在实验上发现了碳笼C_60以来,对于原子团簇这种新的物质形态的实验与理论研究引起人们的广泛兴趣.经近10年的研究,已发现了许多原子团簇的奇异性质,如幻数性质,小原子团簇异常的催化性能,以及簇反应性的尺寸效应和异构体效应等.最近,在团簇与团簇碰撞(CCC)领域,也取得了重要进展.于1991年,Lutz及其合作者用计算机模拟了碱金属原子团簇碰撞过程,指出其主要三个通道为:分子聚合、深度非弹性与     

胶体与界面化学

<正>胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学,其自身的多学科交叉特性使得它与许多基础和应用科学都有着密切的关联,不仅在食品、化妆品、医药、涂料等传统领域发挥着不可或缺的作用,而且日益在能源、环境、生物医学、先进材料等面临严重危机或巨大挑战的领域得到广泛的应用,在社会经济可持续发展中占有重     

复杂流动多尺度模拟中的粒子方法

复杂流动中的多尺度结构对理论和工程研究都是巨大的挑战, 而多尺度方法也成为其必然的选择. 粒子方法(particle method, PM)是多尺度方法的理想组件和有力的研究手段. 以此为背景, 从拟颗粒模拟出发, 比较了一些粒子方法在模拟中的精度和效率, 综述了不同粒子方法在复杂流动多尺度模拟中的作用, 介绍了基础和应用研究上的一些进展, 并对今后的研究方向进行了展望.     

狭缝中Ising格子的临界吸附性质

将Ising格子上的Freed理论和Flory-Huggins理论应用于狭缝中的吸附现象研究. 发现此类高分子理论能预测狭缝临界吸附性质. 通过计算机模拟对Freed理论和Flory-Huggins理论进行检验. 发现对狭缝流体, Freed理论与计算机模拟数据吻合较好. 而Flory-Huggins理论由于对混合熵的处理过于简单, 存在较大的系统误差. 在临界吸附现象预测时, Flory-Huggins理论过分估计了狭缝体系的多级吸附性 质, 预测结果发现二维和三维相变同时共存. 但Freed理论预测结果表明狭缝吸附体系只存在三维相变. 由于相变的发生, 狭缝吸附存在多级吸附的性质, 表面扩张压曲线存在双节点.     

基于CUDA的格子Boltzmann方法:算法设计与程序优化

格子Boltzmann方法(LBM)由于其具有计算简单,天然并行,易于程序实现,易于处理复杂边界等优点而成为流体建模和模拟的一种重要方法.LBM的上述优点也使得其非常适合利用图形处理单元(graphic processing unit,GPU)进行大规模流体计算.基于GPU的CUDA(compute unified device architecture)编程平台,首先设计了相应的LBM算法,并以二维方腔流、二维圆柱绕流以及三维方腔流为例,着重探讨了存储器访问优化等优化技术的作用;此外,本文也对程序的性能进行了详细分析.结果表明,本文的算法取得了理想的加速效果,证实了GPU与LBM的良好匹配关系.     

Rayleigh-Bénard对流结构多样性研究取得新进展

<正>最近,重庆大学动力工程学院李友荣研究团队采用数值模拟方法对具有密度极值流体Rayleigh-Bénard对流进行了系统研究,确定了具有密度极值流体Rayleigh-Bénard对流流动的临界条件、可能存在的流型结构以及流型演变过程,证实了密度极值特性对Rayleigh-Bénard对流流动与传热特性具有决定性影响.该研究工作开辟了有关     

数值分析螺杆槽道内气液两相流液相分布及压降特性

主要利用数值模拟对螺杆槽道内气液两相流的液相分布和压降特性进行研究,数值模拟结果和已经取得的试验结果进行了对比,结果表明:本文采用的数值模型具有很好的预测结果.数值模拟主要通过改变螺杆槽道的节圆直径、入口截面含液率以及流体运动速度,获得相应条件下的压降及液相分布特性.减小螺杆槽道节圆直径或者增加入口截面含液率可以增加外壁面的液相含量,同时引起压降的增加.根据数值模拟结果,并考虑螺杆节圆直径和流体入口含液率的影响,拟合得到螺杆槽道内气液两相流的摩擦压降计算关系式.     

胶体晶体制备与应用研究进展

不同于由分子、原子或离子所形成的晶体,胶体晶体是由单分散的微米或亚微米胶体颗粒组装形成的二维或三维有序阵列结构.与通常晶体相比,胶体晶体中占据每一个晶格点的是单分散的胶体粒子.由于具有特殊的周期性晶格结构和光学、模板等性能使其在制备三维有序大孔材料、光子晶体和传感器等领域有着重要的应用价值,受到科学界和工业界的广泛重视.本文综述了近几年来在胶体晶体制备和应用领域研究的最新进展,包括单分散胶体颗粒的制备及功能化、不同类型胶体晶体的自组装制备和图案化、以及胶体晶体在构筑晶体结构模型、二维有序微结构、三维有序大孔材料、光子晶体、传感器和仿生材料等领域的应用,并对其未来研究发展的方向进行了展望.     

NaAlCl_4和Na_2Al_2Cl_8的分子动力学模拟

近年来,用分子动力学方法研究液体、气体的热力学、动力学性质的工作十分活跃.我们用分子动力学方法对熔盐蒸汽中存在的NaAlCl_4和二聚分子Na_2Al_2Cl_8作了计算机模拟研究.采用Schonfield 公式     

计算机分子模拟——2013年诺贝尔化学奖简介

计算机分子模拟技术的发展至今已有半个世纪的历史,现被广泛应用于解决各种复杂化学和生物学问题,比如药物设计和材料设计。2013 年诺贝尔化学奖授予给卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔三位美国科学家,以表彰他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”上的贡献。这次授奖表明,对于今天的化学家来说,计算机分子模拟已和试管实验同等重要,理论和实践要密切合作才能解决复杂问题。笔者主要介绍计算机分子模拟技术的基本概念、发展简史,以及主要应用领域,并对此技术的未来发展做了展望。     

聚式流态化向散式流态化过渡的离散粒子模拟

流态化系统广泛存在于自然界和工业过程中,但对其认识还很有限,主要原因是它的强非平衡性.颗粒与流体间复杂的相互作用导致系统常处于非线性非平衡状态下,形成多尺度的高度不均匀的耗散结构.这些耗散结构的尺度要比相应的单相系统中的流动结构小得多,而颗粒的尺度又要比流体分子大几个到十几个量级,因此很可能找不到满足宏观足够小而微观足够大的尺度.而该尺度的存在是目前流态化系统的主要模拟方法──拟流体模型和颗粒轨道模型(在经验地描述颗粒流体相互作用时)的基本前提.虽然这两种方法都得到了实际应用,但从机理研究的角度看,仍有很多局限.     

GPU-CA模型及大尺度土地利用变化模拟

在全球变化研究中,对省和国家尺度的土地利用变化过程进行模拟具有重要的意义.但大尺度的土地利用变化模拟存在数据量大、计算复杂、计算时间长等难点,由于计算能力和传统基于CPU计算模式的制约,在普通计算机中难以执行这样的模拟.把最新发展的GPU高性能计算技术与元胞自动机(CA)模型相结合,提出了GPU-CA大尺度土地利用变化模拟模型,并将其应用到省级尺度的土地利用变化模拟中.介绍了模型的问题映射、需解决的关键技术问题和计算的流程,并分析了GPU-CA模型在计算性能上的优势.通过全广东省的土地利用变化模拟,对GPU-CA模型进行了验证.实验表明,GPU-CA模型可以将原有一般CA模型的运行效率提高30倍以上,能够有效地应用于省和国家级的土地利用变化模拟,为全球变化模型提供重要的地表景观变化信息.     

复杂系统研究的重要工具：细胞自动机及其应用

复杂现象是由具有许多不同状态的大量基本单元在非线性作用下形成的有机整体,因而以非线性相互作用为基础对复杂系统进行多角度、多方法描述是必要的.细胞自动机正是以复杂系统的特点而设计的用计算机可以模拟的研究复杂系统的极为有用的方法.本文阐述细胞自动机的基本原理、特征及其在经济与管理中的应用.     

流体地球化学进展及其在地震预测研究中的应用

地震预测是仍未解决的世界性难题.流体地球化学是地震预测的潜在手段之一,近年来得到了较为广泛的认可与运用.地震的孕育和发生过程始终伴随着地下物质运移、能量传输和条件改变,从而导致流体中元素和同位素的迁移与演化,进而形成地表可观测到的流体地球化学异常.活动断裂带是地震多发区,同时也是深部流体运移和释放的有利通道.活动断裂带流体的地球化学特征对地壳应力、温压条件和渗透率的变化极其敏感,可以作为指示构造或地震活动的良好指标.流体地球化学与断裂活动的密切关系使得流体地球化学不仅在地震预报中发挥着重要作用,也是解释地震过程中物质来源、能量交换和条件变化的有效手段.此外,新的地球化学分析技术的迅速发展,使其在研究地震前兆机理和地震物理过程中发挥越来越重要的作用.本文在综述近年来流体地球化学在地震预测领域研究进展的基础上,结合自身团队的研究结果和认识,提出未来地震地球化学研究的发展方向.     

基于自组装胶体晶体构筑有序微结构

有关胶体晶体自组装以及以胶体晶体为模板制备有序图案化微结构方面的研究, 由于方法简便、结构多样、重复性好等优点, 近年来受到越来越多的关注. 本文系统总结了我们在胶体微球和胶体晶体领域开展的研究工作, 主要包括: 无机或聚合物胶体微球的设计制备、纳米复合及功能化; 结合聚合物材料可溶涨、可拉伸、热形变等特性构筑图案化胶体晶体、非球形对称胶体晶体、非紧密堆积胶体晶体等特殊结构; 以胶体晶体为模板制备三维大孔骨架、纳米环、纳米碗阵列等有序微结构等.