Page 85 - 化学分析与检测技术

第三章 材料模拟技术的应用

第四节 分子模拟技术在材料分析中的应用

一、分子模拟技术发展

分子模拟技术是一种基于牛顿力学、量子力学等物理化学基本原理的新型计
算机模拟方法，利用模拟软件来模拟分子立体构象、优化分子结构，形象表达分
子间相互作用关系，判断分子间结合的可能活性位点，为材料改性和新材料开发
提供理论指导。近年来，随着计算机性能的不断提高，分子模拟技术不断完善，

逐渐成了除实验研究和理论研究之外的又一有效研究手段。它可以很容易地揭示
微观相的内在机制，缩短材料研发周期，降低其开发成本，同时还具有环保性、
安全性等优点，在材料设计及后续应用中发挥着越来越重要的作用。
从 20 世纪 90 年代开始，随着分子力场的完善、模拟算法的创新和计算机科

学的发展，分子模拟进入到一个全新的时代，作为一种新兴的模拟方法，已被广
泛应用到材料学、生命科学、药物研究等领域。2013 年诺贝尔化学奖授予三位
通过计算机分子模拟方法研究酶催化反应机理和蛋白质分子运动的科学家，表彰
他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”的贡献。

（一）分子模拟方法
20 世纪 50 年代以后，为了对不同时间尺度和空间尺度的物质及其之间的相
互作用机理进行计算机模拟研究，科学家们开发出了各种各样的模拟方法。在微
观尺度上，比较常见的主要有四种，分别是蒙特卡罗法、分子动力学、分子力学

和量子力学。研究对象通常是由原子或分子组成的团簇，这些模拟方法模拟对象
的空间尺度通常要小于 10nm，时间尺度通常在处在纳秒级，原子或者分子的运
动过程都遵循牛顿第二定律。这些模拟方法所研究的体系的时间和空间尺度相对
较小。通过原子尺度模拟得到的结果准确但是耗费的时间会比较长，对于含有几

十个到数百个原子组成的尺寸较小体系可考虑采用这些模拟方法对研究体系进行
模拟。但是在宏观尺度上模拟适合于描述物质的宏观行为，宏观尺度上常用的
是基于流体力学的有限元方法 (Finite-Element Method Based on Fluid Mechanics，
FEMBFM)，这种方法的模拟尺度相对于那些原子分子结构是比较大的，因此可

以用于研究尺寸较大的比如高分子聚合物等的研究体系。这四种模拟方法的主要
应用及优缺点如下。

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