粗粒化模拟

粗粒化模拟

产品简介

粗粒化模拟是一种将原子或分子体系中的多个原子或基团视为一个单一的 “粗粒化粒子” 来进行模拟的方法。

通过对原子或分子的自由度进行适当的简化和平均，将原本复杂的微观体系转化为一个相对简单的粗粒化体系，从而降低计算量，使模拟能够在更大的时间和空间尺度上进行。

应用领域

纳米材料领域
食品科学领域
环境科学领域
软物质物理学
生物大分子体系

纳米材料领域

纳米粒子的自组装：可以模拟纳米粒子在溶液中的聚集和自组装过程。通过将纳米粒子视为粗粒化粒子，考虑它们之间的静电相互作用、范德华力等，研究纳米粒子如何形成特定的有序结构，如纳米链、纳米簇等，为设计和制备具有特定功能的纳米材料提供理论指导。
聚合物 / 纳米粒子复合材料：用于研究聚合物基体与纳米粒子之间的相互作用以及纳米粒子在聚合物中的分散行为。
食品科学领域

蛋白质凝胶的形成：在研究蛋白质凝胶的形成过程中，粗粒化模拟可以帮助理解蛋白质分子如何通过相互作用聚集形成三维网络结构。
乳液的稳定性：对于食品乳液体系，如牛奶、奶油等，粗粒化模拟可以研究乳液滴之间的相互作用以及乳液的稳定性。
环境科学领域

胶体颗粒的聚集与沉降：在研究水体中胶体颗粒的行为时，粗粒化模拟可以用于模拟胶体颗粒在不同电解质浓度、pH 值等条件下的聚集动力学和沉降过程。
土壤颗粒的团聚：可以帮助研究土壤颗粒的团聚结构形成和稳定性。考虑土壤颗粒表面的电荷特性、有机质的作用等因素，模拟土壤颗粒如何聚集形成不同大小和稳定性的团聚体，为理解土壤结构的形成和改良提供理论支持。
软物质物理学

液晶材料：用于研究液晶分子的取向变化、相转变以及液晶与聚合物等其他材料的复合体系。例如，模拟向列相液晶在电场或磁场作用下的取向行为，以及液晶 - 聚合物复合材料的微观结构和宏观性能。凝胶与泡沫：可用于研究凝胶的形成、溶胀以及泡沫的稳定性等问题。例如，模拟明胶等凝胶体系中分子链的交联和网络结构的形成，以及表面活性剂分子在泡沫界面上的吸附和排列，为凝胶和泡沫材料的制备和应用提供理论指导。
生物大分子体系

用于研究蛋白质、核酸等生物大分子的折叠、构象变化、与配体的相互作用等。例如，通过粗粒化模拟可以在较长时间尺度上观察蛋白质的折叠过程，了解其折叠途径和中间态结构。

相关软件

LAMMPS、Materials Studio、GROMACS

分析内容

01

模型构建

确定粗粒化对象：明确要进行粗粒化处理的系统，比如蛋白质、聚合物溶液等。定义粗粒化粒子：将多个原子或分子组合成一个粗粒化粒子，例如把蛋白质中的一个结构域视为一个粗粒化粒子。确定相互作用势：根据系统特点和研究目的，选择合适的相互作用势来描述粗粒化粒子间的相互作用，如采用简化的 Lennard - Jones 势描述非键相互作用。
02

参数设定

设定模拟参数：包括温度、压力、时间步长等。例如，对于生物分子模拟，温度可设为 300 K，时间步长一般在飞秒到皮秒量级。确定粗粒化参数：如粗粒化粒子的质量、电荷等，这些参数通常根据原始微观模型的统计平均性质来确定。
03

初始条件设定

确定粒子初始位置：可以基于实验数据、已有的微观模拟结果或随机分布来设定粗粒化粒子的初始位置。赋予粒子初始速度：根据设定的温度，按照麦克斯韦 - 玻尔兹曼分布随机赋予粒子初始速度，以保证系统具有所需的初始能量。
04

模拟运行

数值积分求解：运用合适的数值积分算法，如 Verlet 算法、 leap - frog 算法等，根据牛顿运动方程来更新粒子的位置和速度，推进模拟时间。边界条件处理：根据系统的实际情况选择合适的边界条件，如周期性边界条件、固定边界条件等，以避免粒子从模拟区域边界逃出。能量和动量守恒：在模拟过程中，要确保系统的能量和动量守恒，以保证模拟结果的准确性和可靠性。可通过调节粒子的速度或位置来实现能量和动量的守恒。
05

数据收集与分析

收集模拟数据：记录粒子的位置、速度、能量等随时间的变化数据，以及系统的宏观性质，如密度、压力等。分析模拟结果：通过各种分析方法，如计算均方根位移、径向分布函数、结构因子等，来获取系统的动力学和热力学性质，从而深入理解系统的行为和特性。