軟物質(zhì)的計算機模擬與理論方法

前言

　　中國化學(xué)會計算機化學(xué)委員會在陳凱先院士與徐筱杰教授的領(lǐng)導(dǎo)下，致力于在全國推廣計算機模擬方法，推動科學(xué)研究、技術(shù)進步與生產(chǎn)力的發(fā)展。本世紀初我們推出了一套叢書，其中包括《分子模擬與高分子材料》。經(jīng)過了近10年的發(fā)展，計算機模擬應(yīng)用的領(lǐng)域擴大了，模擬的方法發(fā)展了。從平衡態(tài)到非平衡態(tài)，從全原子模型到粗?；Ｐ停瑥奈⒂^尺度到介觀尺度，從模擬方法到理論方法。各個領(lǐng)域都需要計算機模擬，計算機模擬需要更準確的分子力場。計算機化學(xué)委員會因此推出另一套叢書包括本書，來介紹這個領(lǐng)域模擬方面的一些進展，如何發(fā)展合理的分子力場，如何發(fā)展介觀力場，什么是理論方法，如何運用該法去研究實際問題。本書討論的科學(xué)問題涉及筆者研究組里的、郭洪霞研究員組里的、嚴大東研究員組里的、邵學(xué)廣教授研究組里的和孫淮教授研究組里的研究工作?！　∮嬎銠C化學(xué)的戰(zhàn)略地位近年來愈顯重要。由于計算機模擬的介入，使得一些實驗數(shù)據(jù)上說不清楚或得不到的結(jié)果能夠明確得到了?；诹孔恿W(xué)理論的微觀方法，包括分子力學(xué)、分子動力學(xué)、粗粒化粒子，以及目前尚無堅實理論基礎(chǔ)的介觀的耗散粒子動力學(xué)，直到宏觀的有限元方法，我們有三個尺度上的模擬方法與理論方法。要突破時間尺度與空間尺度的限制，我們必須把微觀、介觀與宏觀三個尺度上的模擬方法貫穿起來才能符合新材料發(fā)展的需求。韓志超先生主持的三個尺度貫穿的NSF重大項目得到了初步的結(jié)果。通過原子基團的粗?；鼓M進入了準介觀尺度。通過理論方法與微觀參數(shù)的結(jié)合溝通了微觀與介觀。通過理論方法與微觀參數(shù)表述的本構(gòu)方程溝通了微觀與宏觀。在材料開發(fā)領(lǐng)域還有許多困難需要克服。目前，從事計算機模擬研究的學(xué)者幾乎遍布國內(nèi)各個高校與研究所。隊伍不小，需要引導(dǎo)。在今后5～10年里，我們應(yīng)當(dāng)優(yōu)先發(fā)展的研究方向是：更準確描述在水相中分子結(jié)構(gòu)與行為的力場（包括弱氫鍵）的開發(fā)；描述體系內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的分子力場的開發(fā)；介觀尺度動力學(xué)的模擬結(jié)果能夠跟實驗直接對比的方法；介觀相互作用與微觀相互作用之間的溝通的有效理論；經(jīng)驗的、有效的介觀力場方法。在該努力的過程中，希望本書能夠起到拋磚引玉的作用?！　≡陔S書所附贈的光盤中，提供了應(yīng)用分子動力學(xué)與耗散粒子動力學(xué)程序和理論方法，以及書中介紹科學(xué)問題的一些算例?！　∫蛑邔W(xué)識所限，書中難免有不妥之處，懇請讀者不吝賜教。

內(nèi)容概要

本書試圖深入淺出地介紹近年來計算機模擬方法與理論方法在研究凝聚態(tài)物理中軟物質(zhì)行為機理方面的一些應(yīng)用。書中一方面介紹了運用基本的微觀、介觀模擬方法研究軟物質(zhì)體系中的難處理的問題，一方面介紹了增強這些方法能力的實例；一方面闡述了各種模擬方法與理論方法的原理，一方面在隨書所附贈的光盤中介紹了各種方法的一些算例和程序。計算機模擬方法主要集中在微觀與介觀尺度上的模擬，理論方法主要集中在自洽場理論方法。     本書適用于進入該領(lǐng)域的初學(xué)者以及大學(xué)生與研究生，對工作在該領(lǐng)域的研究人員也具有很高的參考價值。

書籍目錄

1　高分子鏈聚合初生態(tài)的結(jié)晶 　1.1　高分子鏈的“初生態(tài)” 　1.2　鏈生長分子動力學(xué)方法 　1.3　GCMD方法的驗證 　1.4　聚乙烯單鏈初生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究 　　1.4.1　單鏈在表面上生長過程的兩個階段 　　1.4.2　晶干在伸長過程中的協(xié)同運動 　　1.4.3　初生態(tài)單分子鏈的折疊機理 　1.5　聚乙烯多鏈體系初生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究 　　1.5.1　不同活性點密度的體系的形貌發(fā)展 　　1.5.2　不同活性點密度的體系的結(jié)構(gòu)分析 　1.6　總結(jié) 　參考文獻 2　高分子鏈的穿插與結(jié)晶 　2.1　非平衡態(tài)高分子鏈的纏結(jié)問題和鏈纏結(jié)的結(jié)構(gòu)屬性 　2.2　高分子鏈的穿插程度 　2.3　表面與本體的穿插程度 　2.4　纏結(jié)對結(jié)晶的影響 　2.5　位點序參數(shù) 　　2.5.1　位點序參數(shù)方法 　　2.5.2　臨界成核位點序參數(shù)值 　2.6　穿插程度與結(jié)晶的關(guān)系 　　2.6.1　整體穿插程度與結(jié)晶速率 　　2.6.2　局部穿插程度與成核的分布 　　2.6.3　局部成核與生長過程 　2.7　總結(jié) 　附錄一　建模與模擬細節(jié) 　附錄二　ICF與SOP的算法探討 　參考文獻 3　聚合物的粗?；Ｐ?　3.1　介紹 　3.2　普適的粗?；Ｐ?　　3.2.1　粒子基粗?；Ｐ?　　3.2.2　場基粗?；Ｐ?　3.3　系統(tǒng)的粗?；Ｐ?　3.4　應(yīng)用實例 　3.5　總結(jié)與展望 　參考文獻 4　團簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法與應(yīng)用 　4.1　引言 　4.2　無偏優(yōu)化算法用于團簇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化　　4.2.1　遺傳算法 　　4.2.2　快速退火演化算法 　　4.2.3　隨機隧道算法 　4.3　基于格點搜索的團簇優(yōu)化方法 　　4.3.1　格點的建立 　　4.3.2　格點搜索 　　4.3.3　應(yīng)用舉例 　4.4　動態(tài)格點搜索算法 　　4.4.1　動態(tài)格點 　　4.4.2　動態(tài)格點搜索算法 　　4.4.3　動態(tài)格點搜索算法的改進 　　4.4.4　應(yīng)用舉例 　參考文獻 5　雜化蒙特卡羅和廣義系綜模擬方法 6　構(gòu)象態(tài)躍遷行為與玻璃化轉(zhuǎn)變 7　表面活性劑與泡沫的穩(wěn)定性 8　分子力學(xué)力場及參數(shù)化方法 9　耗散粒子動力學(xué)的原理與應(yīng)用10　模擬表面活性劑體系的介觀力場方法 11　自洽平均場理論方法 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　然后在蒙特卡羅篩選階段再加入更復(fù)雜的勢函數(shù)來決定構(gòu)型取舍，這顯然可以顯著提高模擬效率。事實上，讀者可以充分發(fā)揮自己的想象力來創(chuàng)造出更適合自己研究對象的算法。最后要提及雜化蒙特卡羅的一個特點是，它允許顯著地增大動力學(xué)模擬部分的時間步長，來達到提高模擬效率的目的。從分子動力學(xué)的原理可知，基于數(shù)字計算機的離散數(shù)值積分不可能精確無誤地描述由牛頓第二定律所定義的連續(xù)運動軌跡方程。其主要原因是我們不得不采用有限大小的時間步長。時間步長越小，由數(shù)值積分給出的軌跡就越接近解析方程的描述，但是這必然會加重計算負擔(dān)。因此，人們總是希望在保證一定模擬精度的前提下盡可能地使用較大的時間步長。在HMC方法中，動力學(xué)模擬僅僅起到演變構(gòu)型的作用，我們并不是十分關(guān)心它的精度，完全可以在避免體系崩潰的前提下使用盡可能大的時間步長。然而必須注意的是，時間步長的增大雖然可以加速體系演變，但是在處理包含“陡峭”勢函數(shù)的體系時必須要十分小心，如果由于使用過大的時間步長而導(dǎo)致體系過度地偏離物理許可的構(gòu)型，會導(dǎo)致蒙特卡羅步驟中被拒構(gòu)型的比率提高，從而得不償失。例如，一個體系中如果包含較強的共價鍵勢函數(shù)，一個較大的時間步長將導(dǎo)致共價鍵的鍵長嚴重偏離平衡值，這通常意味著新的構(gòu)型具有很高的勢能，在蒙特卡羅檢測階段，這種高能量的構(gòu)型有很高的概率被拒絕，從而造成樣本浪費?！　纳厦驷槍﹄s化蒙特卡羅方法的介紹和分析中我們可以看到，這個模擬方法既有很大的靈活性，同時也需要使用者根據(jù)具體的目標體系進行精細調(diào)整。使用者必須在對傳統(tǒng)模擬方法有較深入的理解之后才能真正掌握雜化蒙特卡羅的精髓，為此在上面的介紹性文字中我們?yōu)樽x者提供了大量的相關(guān)知識?？梢岳斫獾氖?，在讀者閱讀下面關(guān)于具體算法描述的文字之前，對HMC方法的實現(xiàn)細節(jié)還不十分明了，但是我們相信在讀者閱讀完本節(jié)全部內(nèi)容以后，一定會對這個方法有一個比較全面的認識。

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