介绍了多种计算机模拟技术的常用软件、原理和方法,重点介绍了模拟技术相对传统研究方法的优势,在高分子材料研究中构建和表征高分子链、晶态或非晶态本体聚合物和复合材料的结构,预测包括共混行为、机械性质、扩散、内聚与润湿及表面粘接等在内的重要性质,以及在辅助聚合催化剂的设计中的应用,并提出了以后的发展趋势。

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21 0 0年第 1 O期

第3 7卷总第 2 0期 1

模拟技术的原理、方法及在高分子材料研究中的应用

李田

(广东药学院医药化工学院，广东中山 5 85 ) 2 48

要】介绍了多种计算机模拟技术的常用软件、原理和方法，重点介绍了模拟技术相对传统研究方法的优势，在高分子材料研究中构建和

表征高分子链、晶态或非晶态本体聚合物和复合材料的结构，预测包括共混行为、机械性质、扩散、内聚与润湿及表面粘接等在内的重要性质， 以及在辅助聚合催化剂的设计中的应用，并提出了以后的发展趋势。 键词】;高分子模拟【中图分类号]Q T

【文献标识码] A

【文章编号]0716(001—020 10—852 1)00 7—2

Th i i e M e h d o i u a i n Te hno o y a d App i a i n i l m e e Pr nc pl, t o fS m l to c lg n lc to n Po y r M ae il ee r h t r a s a c R

LiTin a

( ol e f f h mi r n h mi l n ier g Gu n d n iesyo h r c, h n sa 2 4 8 C ia C l g e s ya dC e c gn ei, a g o g e o oC t aE n Unv r t f a i P may Z o gh n5 8 5, hn )

Ab t a t tn to l n r d c d te p i cp e a d meh d o i lto e h o o y b ta s o u e n te a x n a e o e r d t n lr s ac t o s s r c:I o n y i t u e h rn i l n t o f s o mu a in tc n l g, u lo f c s d o h d t g v rta i o a e e r h me h d, a i

a p lai n np l m e ae i l r s a c n e e o m e t r n h u u’ p i t s o y r t r s e e rh a dd v l p n c d i te f t t c o o m a t n e

K e wo ds smu a in; p l m e y r: i lt o oy r

2世纪 8 0 0年代以来，随着材料科学和计算机技术的迅速发展，人们可以通过计算机模拟可预测普通实验无法测得的性质，是对宏观理论模型的有益补充

J同时，由于模拟技术。良好的预测性，可以减少大量试验性实验开支，与传统研究 J手段相比效率更高，花费更少。当代材料研究正在从宏观研究向微观研究转变，半衡态研究向非平衡态研究转变，从从定性研究向定量研究转变，由单一或孤立学科向多学科交叉或交替转变。要实现这些转变，计算机模拟技术无疑是最好的研究手段和辅佐工具之一。

1计算机模拟技术的种类和方法

11模拟软件的种类 .

为满足不同领域的研究需求，应商开发了多种分子模拟供计算软件，其中最为流行的是 C r s和 Maei sSu i。 ei 2 u tr l tdo a Crs ei 2提供了一个现代的模拟环境，标准的数据文件格式使 u其能与大多数其他软件联用，并能直接利用大多数的标准数据

体系的压力、能量等宏观性质以及组成粒子的空间分布等微观结构，尤其适合研究实验体系在短时间尺度中的动力学过程。 量子力学法：是基于量子力学的基本概念和原理，求解薛定愕方程既可得分子能量、空间构型及相关性质，也可以描述电子结构的变化。 Mo t C r法：其模拟过程是根据提出的问题构造一个 ne al o概率模型，使问题的解对应于该模型中随机变量的某些特征 (如概率和方差等),然后根据随机变量分布，在计算机上产生随机数，设计和选取合适的抽样方法对每个随机变量进行抽样，按照所建立的模型进行仿真试验，出问题的随机解及解求的精度估计。

2计算机模拟技术在高分子材料研究的优势

和应用

目前对于高分子材料的微观结构的研究主要是采用 x射一线衍射、分析法等方法。热但是这些方法只能在制备样品之后才能进行表征，需要大量人力物力进行试验，使得筛选材料的工作非常繁琐。计算机模拟技术可以辅助研究人员构建和表征高分子链以及晶态或非晶态本体聚合物的结构，预测共混行为、机械性质及表面粘接等重要性质，用于辅助聚合催化剂设计；并且由于模拟技术良好的预测性，减少大量试验性实验可开支，与传统研究手段相比效率更高，花费更少。对一些耗 J时很长的老化测试，以通过模拟分子界面相行为，可确定老化过程中材料的微观结构参数与宏观力学性能之间的关系，分从子角度研究老化降解行为

,大大缩短材料寿命预估的周期，降低成本。 计算机模拟技术以原子水平上的相互作用为出发点，借助计算机数值模拟的方法得到分子结构、热力学等方面的信息， 以及这些信息与功能之问的关系。过计算机模拟可以了解实通验中难以测定的复合材料中各个组分分布状态以及相互作用， 这在复合材料的研究中尤为有用 JHu。等借助三维关联纤维取向的模型，通过模拟技术研究了环氧树脂/纳米碳管复合材料的性能，从全新的角度认识了高分子的界面性质，了解不同材料之间界面的结合情况以及相互作用对性能的影响。

库，在多个模型上建立模块来建造分子结构作为计算模块的输

入“品”样。在高分子材料研究中，可通过 P lme B i e( oy r ul r d高分子建立模块) A rh u ul r无定型结构建立模块)和 mop o sB i e( d建立均聚或各类共聚高分子、单分子长链本体或三维周期结构模型；用随机生成法来建立结构研究内聚能密度 ( E及局部链 C D)运动；通过任意共混体系的建模方法满足建立界面模型或适应粘合剂及润滑剂研究所需。Ma r l Su i软件于 2 0 t i s tdo ea 0 0年初推出，用客户机/务器结构，最大限度地利用了网络资源，采服 通过各种模块进行参数设置和分析，方便用户进行模拟计算。 国内计算软件的开发尚处于起步阶段，值得一提的足中科院化学所编写的Moeua Po e is lcl rpr e软件。该软件包含分子力 r t学、分子动力学等计算模块，可用于无机、有机与高分子体系， 为国内的教学和研究提供了帮助。

12模拟软件的方法 .

计算机模拟是从原子分子水平上模拟分子体系结构和性质，重要的方法有分子力学法、分子动力学法、量子力学法和 Mo t C r ( ne al蒙特卡罗)。 o法 分子力学法：依据分子力场，按照波恩奥本海默近似，将

系统能量看成是原子核坐标的函数，在忽略电子效应的情况下，计算复杂分子的稳定构象、热力学特性及振动光谱数据， 研究体系的静态性质，描述基态原子结构的变化。 分子动力学法：在满足一定宏观约束如温度、压强等条件

及已知分子势能函数条件下，计算分子间作用力着手，解从求牛顿运动方程，出体系中

各分子随时问变化的微观状态，得再将粒子位置和动量组成的微观状态对时间求平均值，即可求出

[收稿日期] 2 1 -7 1 0 00—9

潘睿等报道可以采用分子动力学等多种方法模拟真实

的过程，预测P单体的反应活性、比较其主链的柔顺性、分析 I固化过程中应力的产生等，有助于人们在认识原子及分子层次机理的基础上，对分子设计进行指导，提高效率并节约成本。 武利庆等在Gasin 3 us 0中使用半经验算法，通过O T a P关健字完成苯丙氨酸(h ) P e、甲基丙烯酸( A)乙二醇二甲墓丙烯 MA、酸酯(GD E MA)、三氟乙酸( F ) T A的结构优化，模拟考察功能单

【金项目]广东药学院博上起动基金基[作者简介]李田(9 9 ) 1 7一，女，湖南人，博士，教师，主要研究方向为高分子复合材料。