王宏強(qiáng)

摘 ?要：該文對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件Materials Studio（MS）做了簡(jiǎn)要的介紹，闡述了MS在分子力學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用，并詮釋了對(duì)相關(guān)性質(zhì)預(yù)算過(guò)程中的理論依據(jù)。以MS對(duì)非晶態(tài)高聚物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測(cè)以及對(duì)分子擴(kuò)散能力的計(jì)算依據(jù)來(lái)看，其已具備較完整的理論機(jī)構(gòu)。未來(lái)MS在分子力學(xué)、材料科學(xué)等研究方面有其他軟件不可取代的作用;同樣MS也可用來(lái)構(gòu)建化學(xué)分子結(jié)構(gòu)模型，在課堂教學(xué)中使用。

關(guān)鍵詞：Materials Studio ?分子動(dòng)力學(xué) ?材料科學(xué) ?玻璃態(tài)溫度 ?分子擴(kuò)散

中圖分類號(hào)：TM212 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（a）-0017-02

任何物質(zhì)所體現(xiàn)的宏觀性質(zhì)均是由其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)所決定的，因此對(duì)于宏觀對(duì)象的深入研究必然會(huì)涉及到微觀分子甚至原子層面。分子模擬是指計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析的方法，主要包括Monte Cario（蒙特卡洛）法、量子力學(xué)法、分子力學(xué)以及分子動(dòng)力學(xué)方法。目前，國(guó)內(nèi)外在分子模擬軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用方面步伐極快，軟件的升級(jí)與模塊功能的強(qiáng)化更是日新月異[1]。Materials Studio是一款國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的分子模擬軟件，其功能強(qiáng)大，可以用來(lái)創(chuàng)建分子結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)已建模型結(jié)構(gòu)的分析可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的相關(guān)性質(zhì)。該文主要介紹了Materials Studio軟件在分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中的一些用途。

1 ?Materials Studio（MS）軟件介紹

Materials Studio（MS）是專門(mén)針對(duì)材料科學(xué)領(lǐng)域分子模擬的一款軟件，可在Windows、Linux等多種平臺(tái)上安裝運(yùn)行，研究者可以利用其構(gòu)建各類分子的三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)相關(guān)高分子材料、晶體等的性質(zhì)及相互作用過(guò)程進(jìn)行深入的研究。在分子模擬領(lǐng)域，MS已經(jīng)成為一種先進(jìn)而強(qiáng)有力的模擬運(yùn)算工具，在分子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建與優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測(cè)及量子力學(xué)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)模擬方面，涵蓋了晶體與衍射、固體及表面、聚合物、化學(xué)反應(yīng)等材料與化學(xué)的眾多領(lǐng)域[2]。

Materials Studio是一款高度模塊化的集成產(chǎn)品，主要模塊有Amorphous Cell、Forcite、DMol3、Morphology等，其中Amorphous Cell模塊適用于無(wú)定型復(fù)合材料性質(zhì)的探究，F(xiàn)orcite模塊適用于材料力學(xué)特性的研究，DMol3模塊益于對(duì)分子幾何結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化預(yù)算，Morphology模塊適用于對(duì)晶體相關(guān)特性做出預(yù)算分析。這些模塊運(yùn)用的模擬計(jì)算方法不盡一致，功能也不盡相同，適用于不同的研究體系。研究人員可以通過(guò)選擇與研究目標(biāo)相適用的模擬計(jì)算方法完成計(jì)算分析。

2 ?玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的預(yù)測(cè)

玻璃態(tài)溫度是指非晶態(tài)物質(zhì)玻璃態(tài)與橡膠態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。處于玻璃態(tài)的物質(zhì)其自身活性極低，內(nèi)部分子的擴(kuò)散、流行性也急劇降低，在現(xiàn)實(shí)生活中，我們可以根據(jù)這一特征選擇食品、藥劑等物質(zhì)的儲(chǔ)存條件與環(huán)境，延長(zhǎng)其有效期[3]。相關(guān)研究表明，當(dāng)非晶高聚物體系溫度高于玻璃態(tài)溫度時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生軟化與熔融，進(jìn)而有一定的粘結(jié)性，因此，對(duì)玻璃態(tài)溫度的預(yù)測(cè)有助于物質(zhì)間粘結(jié)機(jī)理的研究。

Materials Studio在計(jì)算非晶高聚物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg）時(shí)，有4種較常用的方法[4]：（1）根據(jù)比體積變化計(jì)算Tg，當(dāng)溫度達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度附近時(shí)，聚合物某些物理特性會(huì)產(chǎn)生明顯差異，其中就包括比體積發(fā)生的突變;（2）根據(jù)密度變化計(jì)算Tg，其原理與根據(jù)比體積的算法基本一致;（3）根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑（Rg）變化計(jì)算Tg，高聚物體系溫度在到達(dá)Tg之前Rg無(wú)明顯變化，當(dāng)體系溫度到Tg以上后，會(huì)引起分子間距變大，進(jìn)而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)半徑增大，因此，可以根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑的額突變來(lái)預(yù)測(cè)Tg值;（4）根據(jù)能量變化計(jì)算Tg，該方法是通過(guò)分析分子間各勢(shì)能與溫度關(guān)系曲線的間斷或曲線斜率的突變來(lái)預(yù)測(cè)Tg。

3 ?分子擴(kuò)散性計(jì)算依據(jù)

Materials Studio可以對(duì)體系內(nèi)不同分子的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)而對(duì)物質(zhì)的擴(kuò)散能力做出表征。Materials Studio對(duì)分子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的過(guò)程中，最常見(jiàn)的對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的研究是根據(jù)計(jì)算均方位移（Mean square displacement）Einstein方程（式2）來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法是通過(guò)計(jì)算模擬過(guò)程中體系分子的空間位置與初始坐標(biāo)的偏離程度來(lái)實(shí)現(xiàn)均方位移計(jì)算，根據(jù)均方位移（MSD）曲線的斜率，取其1/6值即為該體系所計(jì)算分子的擴(kuò)散系數(shù)。

S（t）=<△r（t）2>[ri（t）-r0（t））2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，<>代表系綜均值;ri（t）與ri（0）分別為原子i在t時(shí)刻和初始時(shí)的位置[4]。

4 ?結(jié)語(yǔ)

Materials Studio是美國(guó)ACCELRYS公司針對(duì)材料科學(xué)的研究工作開(kāi)發(fā)的一款仿真軟件，對(duì)于解決材料、生物、制藥及化學(xué)等領(lǐng)域的問(wèn)題具有重要意義。MS除了能夠?qū)ξ闹兴岵牧系奶匦酝瓿上嚓P(guān)的性質(zhì)預(yù)測(cè)外，亦可對(duì)分子或原子間的相互作用關(guān)系做出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)方面的研究;此外，MS中對(duì)分子、原子精確的建模功能能夠使抽象的物質(zhì)呈可視化，同樣適用于科學(xué)研究以及課堂教學(xué);再者，今后MS可能不僅會(huì)廣泛應(yīng)用于金屬或晶體等方面材料特性的分析計(jì)算，在非金屬及非晶體物質(zhì)的研究分析領(lǐng)域同樣具有廣闊的發(fā)展空間。MS能夠讓每一位科研工作者接觸到該領(lǐng)域與世界最先進(jìn)研發(fā)部門(mén)相一致的技術(shù)與能力，是材料工作者所必備的一款學(xué)習(xí)軟件。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉萍.利用Materials Studio對(duì)鋯鈦酸鉛進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬及性能研究[D].西安科技大學(xué)，2013.

[2] 黃勤.Materials Studio模擬分析葡甘聚糖分子模型力學(xué)性能[D].福建農(nóng)林大學(xué)，2014.

[3] 周國(guó)輝，劉成梅，萬(wàn)婕，等.分子動(dòng)力學(xué)模擬水分對(duì)小分子糖玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度及擴(kuò)散性質(zhì)的影響[J].現(xiàn)代食品科技，2014，30（9）：154-160，165.

[4] 邱福生，任力，王家鳴，等.分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)殼聚糖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（7）：2285-2289.