分子水平上的虚拟仿真实验

  计算模拟已经成为化学研究的一个重要手段,这一方面是由于现有的测量手段往往是间接测量,需要理论与计算解释,另一方面则是由于实验条件的限制,理想的实验条件无法真正实现。量子化学计算和分子模拟的手段,可以帮助人们从分子层次上理解化学物质的结构-性能关系,动力学性质和反应特性,而这些通过传统的宏观层次上的实验室教学是很难做到的。
  我校化学与材料科学学院在理论与计算化学方面具有雄厚的科研实力和丰富的教学经验。依托合肥微尺度物质科学国家实验室等研究平台,学校拥有一支强大的理论与计算化学研究团队(包含2名千人计划A,3名杰青,2名优青等),在相关基础研究方面取得了显著科研成果,为将计算化学方法应用于本科实验教学奠定了坚实的基础。为培养学生应用量子化学计算方法和分子模拟计算解决化学实际问题的能力,我们建立了“分子水平上的虚拟仿真实验”平台,依托“电子密度泛函理论与应用”、“化学物理实验”、“高分子物理实验”等课程,开设了10多个模拟仿真实验项目。
  一方面,我们将量子化学计算方法用于化学实验教学。在实验教学中,让学生熟悉目前国际上流行的计算化学科研手段,采用现代电子结构计算方法模拟传统实验手段无法解决的问题,如材料原子空间结构、电子态结构、反应过渡态特征、表面吸附等基础化学问题。将量子化学计算方法与化学实验教学相结合,对于学生加深基础知识的理解、培养科学研究的兴趣与素养、以及了解学科前沿都具有重要的作用。目前,我们已开设“基于C60分子体系电子结构性质的计算”、“简单体系石墨烯的电子结构计算”、“卟啉分子的谱学计算与理论表征”、“三聚氰胺热力学函数的计算”、“简单质子转移反应的过渡态的量子化学模拟”和“Pt(Ⅲ)表面吸附O2分子的构型模拟”等实验项目。
  另一方面,结合我校教师自身的科研成果,我们在国内率先将分子模拟方法运用到高分子科学的实验教学中,研究实验室教学方法不能直接研究或观测的高分子链构象、形态、尺寸(高分子链的远程结构问题)以及动力学过程。多功能教室和高性能计算机房我们开发了分子模拟实验项目“用‘分子的性质’软件构建聚乙烯、全同立构聚丙烯分子,并计算它们末端的直线距离”、“用‘分子的性质’软件计算聚丙烯酸甲酯的构象能量”、“二维高分子链形态及标度关系的计算机模拟”和“受限空间中高分子链穿越纳米管道的Monte Carlo模拟”等,可以根据高分子的近程结构特征,直接在屏幕上构造(即在屏幕上直接合成)高分子链,直观展示高分子链的内旋转以及链的形态和尺寸变化;并计算链尺寸的统计平均值,确定平均值与高分子聚合度的标度关系,使学生对高分子链构象形态问题建立直观、形象和透彻的理解;利用Monte Carlo方法模拟受限空间中的高分子链如何在熵驱动下穿越纳米管道,以帮助学生理解“构象熵”这一概念在高分子科学学习中的特殊重要性。这些相关的分子模拟实验项目,提出了一种高分子科学实验教学的创新模式,已取得了很好的教学效果,并辐射到国内多所高校。
  中心还新建了专门的多功能教室,已用于量子化学计算和分子模拟实验教学,并配备了高性能计算机房(如图)。

  项目一 基于C60分子体系电子结构性质的计算
  基于量子力学从头计算和密度泛函理论,采用DMOL3软件包和Material studio软件界面获得C60分子体系的电子结构性质的微观图形,并分析其化学性质。通过计算获得 C60分子的总电荷密度图和差分电荷密度、C60分子的前线轨道(HOMO与LUMO)、C60分子的FUKUI function等微观电子结构图,并作出C60分子的分子能级图。(详细信息

  项目二 简单体系石墨烯的电子结构计算
  基于量子力学从头计算和密度泛函理论,采用vasp.5.2软件包计算石墨烯的能带和态密度,获得石墨烯的电子结构信息。实验以六角的石墨烯单胞(有两个碳原子)为例,进行自洽计算,得到最优结构。以结构优化后自洽产生的CHGCAR文件作为输入文件进行非自洽计算(ICHGCAR=11),计算能带和态密度,并得到石墨烯单胞的电子结构信息。(详细信息

  项目三 卟啉分子的谱学计算与理论表征
  基于量子力学第一性原理的理论方法,采用DMOL3软件包对卟啉分子的拉曼、红外振动、光吸收谱的谱学性质进行模拟。实验采用DFT semical-core pseudopotential的赝势,paw-pbe的泛函进行钴卟啉分子模型的搭建及结构优化。对优化后的结构进行振动模式分析,进而获得卟啉分子的拉曼、红外振动、光吸收谱等实验结果。(详细信息

  项目四 三聚氰胺热力学函数的计算
  实验采用全电子的paw_pbe的泛函进行三聚氰胺分子结构的建模及结构优化,用得到的最优结构进行性质的自洽计算,并进行热力学函数分析,得到三聚氰胺的基本热力学函数变化曲线。(详细信息

  项目五 简单质子转移反应的过渡态的量子化学模拟
  采用DMOL3软件确定乙烯醇和乙醛异构化的微观反应信息、结构优化、过渡态等,实现反应微观信息的可视化。首先进行反应物和产物模型的搭建及结构优化,使用线性内标法和逐点优化法获得一组接近过渡态的初始结构参数,进而采用计算执行的LST/QST搜索过渡态,找到过渡态后,在原文件的基础上进行频率的计算,确认过渡态结构。根据反应物、产物和过渡态的能量信息,绘制出乙烯醇与乙醛异构化的反应示意图,同时给出能垒和反应焓等实验数据。(详细信息

  项目六 Pt(Ⅲ)表面吸附O2分子的构型模拟
  基于密度泛函理论,采用vasp.5.2.软件包和Material studio软件对O2分子在Pt(Ⅲ)表面吸附进行模拟。实验采用gga_pbe的泛函进行模拟计算,获得优化后的面心立方的Pt晶胞。在优化后的Pt晶胞,切出一个(Ⅲ)的晶面,并标识出分子可能的吸附位。计算优化得到O2分子在Pt(Ⅲ)表面吸附构型及相应的吸附能、键长、O2分子所得电荷和磁矩的变化数据。通过实验数据确定O2在Pt(Ⅲ)表面的最稳定吸附位。(详细信息

  项目七 用“分子的性质”软件构建聚乙烯、全同立构聚丙烯分子,并计算它们末端的直线距离
  在屏幕上直接构建(合成)主链含150个碳原子的呈伸直链形态的聚乙烯分子,模拟计算伸直链的末端距离;多次改变链的构象,使链在不同位置弯曲,观察链的形态变化并测定链的末端距,从中来理解C-C键内旋转对分子链蜷曲程度和尺寸的极大影响。再构建(合成)主链含100个碳原子的呈全反式构象的聚丙烯分子,调整内旋转角使其呈反式旁式交替出现的TGTG…构象,得到全同立构聚丙烯分子的H31螺旋形构象。对于聚丙烯,碳链的全反式构象并不是位能最低的构象形式,其位能一般要比反式旁式交替出现的构象来得高。(详细信息

  项目八 用“分子的性质”软件计算聚丙烯酸甲酯的构象能量
  分别构建含三个和五个单体单元的聚丙烯酸甲酯片段,先后选择一个和两个内旋转角,并按5°或10°的间隔来计算内旋转的构象能。本实验只涉及到两个内旋转角角度变化对柔性高分子链构象及构象能的影响。通过这个分子模拟实验的教学,使学生深刻理解到:柔性高分子即使不能自由内旋转,但是可以实现的构象数目仍是非常大的。构象能E(Φ)与内旋转角Φ是一个很复杂的函数,计算机模拟无疑是事半功倍的。(详细信息

  项目九 二维高分子链形态及标度关系的计算机模拟
  初步了解四位置模型和键长涨落算法,以及本实验采用的改进型四位置模型;学会用改进型四位置模型模拟二维空间中不同长度的自回避行走链(SAW)和无规行走链(RW),并计算两种链的均方末端距、均方回转半径与聚合度的标度关系。通过本实验的学习,学生可初步了解高分子链形态及其数学描述方法,以及SAW链和RW链在形态及其特征上的差别。(详细信息

  项目十 受限空间中的高分子链穿越纳米管道的Monte Carlo模拟
  采用自编的Monte Carlo分子模拟软件,在计算机上直观地观察受限空间中的单链高分子穿越纳米管道的动力学过程。设置相关参数(链长、管道长度、受限空间尺寸等),其中,受限程度不同,高分子穿越纳米管道对应的自由能壁垒 也有所不同,测定高分子从开始穿越到最终又回到起点的时间(Ttrap),确定自由能壁垒ΔE与高分子链长N、纳米管道长度M之间的函数关系,讨论受限程度对高分子穿越纳米管道动力学行为的影响,并与化学反应过程相类比。(详细信息

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