分子动力学模拟在有机污染物毒性作用机制中的应用

分子动力学模拟(molecular dynamics simulations,MD)是一种基于经典牛顿力学方程的分子模拟方法,常用于研究有机化合物、材料及生物大分子体系,可计算各类体系的宏观性质及各种动力学性质.目前MD模拟逐渐用于研究各类环境污染物与生物大分子的相互作用.通过热力学统计分析污染物与生物大分子的结合模式以及配体结合引起的生物大分子构象变化,能在分子水平上探究污染物的毒性作用机理.基于MD模拟的轨迹文件,采用自由能打分方法可评估污染物与各类受体的结合能力,能够筛选具有特定毒性终点的潜在污染物,从而快速、高通量地进行有机污染物的毒性预测和风险评价.本文介绍了MD模拟的基本原理、常用软件,简述了MD模拟的数据准备和模拟过程,强调了MD模拟的重要细节,进而从污染物与受体生物分子作用角度,重点陈述了MD模拟在研究有机污染物与各类转运蛋白、核受体、代谢酶相互作用中的应用,展望了MD模拟在污染物毒性筛选方面的潜在应用,以期该类方法能更好地服务于污染物的毒性风险评估.     

分子动力学模拟亲水性纳米窄缝中的聚乙烯分子

采用分子动力学模拟了两亲水性壁面间的聚乙烯分子水溶液. 壁面间距(1.26~ 3.15 nm)与聚乙烯分子的特征尺寸相当, 随间距减小可以观察到聚乙烯分子构象从三维结构向二维结构的转变. 同非受限状态相比, 强受限情况下, 化学键取向呈规则变化, 亚甲基分层排布且沿垂直于壁面方向上的扩散运动显著降低. 从热力学角度看, 水分子运动空间增大对聚乙烯分子的构象熵减小做出补偿, 以使体系自由能降低.     

LiCl玻璃中的微观空洞——分子动力学模拟的研究

处于玻璃转变范围内的玻璃的某些性质会随保温时间发生变化,并逐渐趋于平衡值。这种弛豫型的变化被认为是玻璃某些原子或分子局部重排的结果,并被称为玻璃的结构弛豫。由于结构弛豫,玻璃的许多物理化学性质在相当程度上依赖于其热历史。 晶格缺陷理论的发展使人们意识到有可能利用这方面的成就来解释玻璃的结构弛豫。但是至今证明缺陷(空位)存在的实验在本质上差不多都是间接的,甚至如何定义玻璃中的缺     

O_2-水溶液的分子动力学模拟

小的非极性分子在水溶液中的行为对非极性分子水溶液化学性质的研究十分重要,它们在涉及到蛋白质,胶束,及膜等复杂体系的疏水效应的研究中可作为简单而又方便的模型.N_2水溶液的Monte Carlo模拟和He,Ne,Xe等水溶液的分子动力学(MD)模拟研究都表明,小的非极性溶质对液态水有结构促进(Structure promoting)作用.另一方面,对柔性的水分子进行的液态水分子动力学模拟表明,周围环境对水分子本身结构有很大影响,这种影响反映了环境的作用.对非极性小分子水溶液的进一步研究应该在考虑溶质对液态结     

纳米薄膜导热系数的分子动力学模拟

建立了一种导热模型,采用分子动力学方法模拟研究了厚度为纳米量级的固体薄膜在垂直于膜平面方向的导热系数,选取具有可靠实验数据和势能函数的固体氩作为模型系统。通过计算机模拟预报了纳米薄膜导热系数的“尺寸效应”：在膜厚度为２－１０ｎｍ范围内,薄膜导热系数值显著低于大体积实验值,并随膜厚度增大而增大。声子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ输运方程的近似解与计算机模拟结果相一致,揭示了导热系数的“尺寸效应”来源于薄膜边界对     

受磷蛋白的空间结构及其分子动力学模拟

受磷蛋白通过可逆的磷酸化来调控肌浆网钙泵活性, 它在生物体中的空间结构一直是一个受关注的焦点. 本文通过总结受磷蛋白空间结构的研究进展, 利用分子动力学方法对其空间结构进行了系统的模拟和研究. 我们将核磁共振所得到的风铃草结构单链的前22个残基取出, 并且分别保持原始结构; 而对第16位进行磷酸化, 第9位进行单点突变, 从而得到3个不同的肽段. 通过在水环境中进行10 ns的分子动力学模拟, 我们发现原始结构的第3~15个残基很好地保持了螺旋结构, 而第16位残基的磷酸化和第9位残基的突变会减少周围残基呈现螺旋状态的几率, 这与一些具体实验中的结论一致. 这一变化也可能是降低受磷蛋白对肌浆网钙泵活性抑制作用的原因.     

纳米尺度下润湿的分子动力学模拟

表界面润湿一直是表面科学领域的热门研究课题,了解润湿性和界面结构之间的相关性是研究表面润湿的关键.从经典分子动力学和从头算分子动力学出发,介绍了纳米尺度下的润湿,主要包括以下几方面:(1)原子尺度界面上的润湿;(2)润湿与晶格常数的关系;(3)具有地形表面的范德华(vdW)层状材料的润湿;(4)Wenzel态到Cassie态的转变机理研究;(5)氨基酸侧链疏水性的表征;(6)离子溶剂化的亲憎水性和传输选择性的微观机理.     

超临界流体密度波动机理的分子动力学模拟

超临界流体在工业技术领域得到越来越广泛的应用,从本质上研究超临界流体的结构特性具有重要意义.本文采用分子动力学方法模拟得到不同温度和压力下超临界流体局部密度波动的时序曲线变化规律,并进行非线性特性分析.结果表明,在近临界温度时,密度波动幅度在拟临界点处达到最大值,随着温度升高和偏离拟临界点程度的增大,波动幅度逐渐减小.超临界流体是具有显著密度波动的非均匀介质,可以看作是高密度(类液区)和低密度(类气区)流体的混合物,非均匀性随偏离拟临界点程度的增加而逐渐减弱.采用自相关函数法得到各工况延迟时间,结合时序曲线的吸引子相图和递归图定性分析发现,不同系统温度下,时序曲线的波动规律主要满足混沌和类随机两种特性.在近临界等温线上,较大密度范围内具有混沌特征;随着系统温度的升高,范围逐渐缩小,当T=1.075T_c时,混沌特征消失,各工况均符合类随机规律.混沌系统表现为较类随机系统更小的样本熵,在不同系统温度下,均在偏离拟临界点较远处得到较大值,并在一个小区域内收敛,此时样本熵的变化受系统温度的影响逐渐减小,密度起主导作用.     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

水和重水红外吸收光谱的Car-Parrinello分子动力学模拟

红外吸收光谱在水的热力学及动力学特性研究中起到了关键作用.本文采用基于密度泛函理论的Car-Parrinello分子动力学(CPMD)方法研究了水和重水的红外吸收性质及介电和光学特性.以能量最小化构型为输入结构,运用该方法计算室温下水和重水的分子电偶极矩总和,进而通过傅里叶变换得到红外吸收光谱.数值分析表明:室温下水和重水红外吸收光谱的理论计算值与文献中实验结果相吻合,表征OH键拉伸模式的光谱峰值位置略有红移,验证了CPMD方法的可行性,为高温高压等极端工况下水的基础物性参数研究提供了参考.     

液相中气相成核的二维分子动力学模拟

采用分子动力学方法对二维液相空间中的气相成核过程进行模拟, 结果表明: 当计算域太小时, 形核生成的非液相区表现为空穴或仅有少量的气相分子; 只有当计算域足够大时, 才能使形核继续下去, 形成由一定数量分子组成的气相团簇, 或称气泡, 周期性边界条件并不能扩大对形核过程的模拟能力. 较大规模的模拟表明液相中的气相成核过程实际经历了3个阶段: 空穴自身生长; 空穴合并增长并开始出现少量气相分子; 形成汽泡.     

最小热阻原理在组合式相变材料蓄热过程优化中的应用

最小热阻原理为近年来火积理论中所提出的传热过程优化的新方法.本文基于最小热阻原理对组合式相变材料蓄热过程进行了优化.通过变分原理,获得了组合式相变材料最佳融化温度的通用表达式.在此基础上,进一步研究了相变材料数对火积耗散热阻和蓄热性能的影响,探讨了最小热阻原理用于组合式相变材料蓄热过程优化的可行性.定义了组合效率,考察了传热单元数和热容流率对火积耗散热阻的影响.结果表明,组合效率随相变材料数的增加逐渐提高,火积耗散热阻随传热单元数和热容流率的增加逐渐降低其提高与降低的幅度均逐渐减弱,该研究为组合式相变材料的遴选以及流动和结构参数的设计提供了理论指导.此外,基于最小热阻原理的优化分析,提出了相变蓄热过程的温差场均匀性原则,为组合式相变材料的优化提供了一种新的优化标准.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

HIV-1 Tat蛋白定点突变的分子动力学模拟

ＨＩＶ－１Ｔａｔ的Ｃｙｓ富集区,核心区和碱性氨基酸富集区是高度保守的,并且对于Ｔａｔ反式激活作用至关重要。用分子动力学模拟的方法构建了ＨＩＶ－１ Ｔａｔ蛋白在上述３个区域进行定点突变的６种突变体的三维结构,分析了突变体的结构变化,并与实验结果相对照讨论了导致突变体失活的原因。     

含氢类金刚石膜沉积过程的分子动力学模拟

含氢类金刚石膜(diamond-like carbon, DLC)的超低摩擦特性与其沉积制备过程密切相关. 采用分子动力学模拟的方法, 计算了以CH₃基团为沉积物, 在多种不同入射能下制备含氢DLC膜的动力学过程. 通过沉积原子数统计分析、薄膜密度和sp杂化分析考察了含氢DLC膜的结构特性. 通过比较模拟结果, 发现随着入射轰击能量的增加, 含氢类金刚石膜中碳的含量总体上呈现增加的趋势; 在含氢DLC膜中所沉积的氢原子数存在峰值, 峰值前后变化趋势相反, 大于80 eV以后趋于饱和与稳定, 薄膜相对密度也随之增加, 达到50 eV时趋于稳定值; 膜中碳原子比氢原子具有更强的成键能力, 易与基底发生化学吸附; 沉积源基团的氢含量决定生长成膜以后的薄膜氢含量, 沉积源基团中的氢含量高, 则所生长薄膜的氢含量高.     

在C~n空间中的一个积分表示

若F_(jm)(ξ,z)(m=1,2,…,k)是定义在c~m中有界域的闭包上,且能表成当ξ≠z时,F_(jm)(ξ,z)≠0,其中ξ∈,z∈;φ_(jm)是上解析的函数,则记F_(jm)∈A.设N_j=N_j(ξ,z),对任意给定的z∈,关于ξ∈是二次连续可微的函数,且当ξ∈,z∈     

遥感技术在城市洪涝模拟中的应用进展

对基于遥感的气象水文数据和地表信息在洪涝模拟中的应用进行了梳理综述,介绍了激光测高(Li DAR)、合成孔径雷达干涉测量(In SAR)技术以及倾斜摄影和高光谱遥感等目前使用较多且精度较高的遥感数据源及其相关应用,进一步对城市洪涝模拟中基于遥感的基础信息的相关热点技术和方法进行了总结.最后以实例阐述了基于遥感的城市洪涝模拟基础信息提取框架,并对遥感技术在城市洪涝模拟中的应用前景以及面临的问题与挑战进行了展望.     

相变中的软模

《相变中的软模》一文介绍了物质相变研究中从静态研究到动态研究这一转变,特别是介绍了引起物质相变时“序参量”这一概念。“序参量”是一个重要概念,它联系了宏观现象与微观构象之间的关系,值得重视。     

在总体生物学中使用随机积分的问题

二十世纪进入到七十年代以来,在总体生物学(即总体遗传学、数理生态学以及扩散理论)中,常常把生物个体(或群体)的变化、运动、迁移及扩散等过程,用伊藤(It(?))随机微分方程所描述的随机过程来表示.于是,为了求出伊藤随机微分方程的解过程,一般要引入不同意义的随机积分的概念.那末,总体生物学中的模型如何与这些积分一致呢?使用时又存在着哪些差别和困难呢?下面分别就这些问题     

多级逐步判别在台风路径预报中的应用

台风是我国东南沿海重要的灾害性天气之一.广大气象台站在作台风路径预报中往往采用逐步迥归分析,在应用判别分析中也仅采用两级判别.为了进一步提高台风预报的精确度,我们应用了多级判别的方法,并且在因子的筛选上采用了两段筛选法.逐步判别分析是近几年才发展起来的,在天气预报中尚未得到应用.我们在应用这一方法作台风路径预报中收到了较好的效果.