《高分子材料的分子模拟方法及应用》课程教学大纲（本科）.docVIP

高分子材料的分子模拟方法及应用 （Multi-scale simulation method and application of polymer materials） 课程代码：（无需填写） 学分：2 学时：（其中：课堂教学学时：32 实验学时：0 上机学时：0 课程实践学时: 0 ） 先修课程：《高分子物理》、《高分子化学》 适用专业：高分子材料与工程 教材：《高分子材料的多尺度模拟方法及应用》，牟丹，李建全，科学出版社，2017第一版. 一、课程性质与教学目标 （一）课程性质 分子模拟技术已经发展成为化学、物理学、生命科学、材料学等多个领域的科学家强力的研究手段。先进行模拟计算再实验，往往能够减少盲目，自觉性，节约成本和时间，取得事半功倍的效果。分子模拟本身也在发展之中，主要是在建模和计算方法方面，完全可以预期，在未来的科学实验中，分子模拟技术将发挥越来越大的作分子模拟方法，主要包括分子动力学方法和蒙特卡方法，前者是通过体系中分子坐标的变化来计算分子之间的能量成者?相互作用力。分子模拟创始者的最初想法是运用统计力学原理和方法，求解体系的统计平均?结果，因此分子模拟也可以称作计算统计力学?方法??在分子模拟中，理论模型决定着模拟结果是否可靠，同时又通过实验数据和模拟结果的对??来确定模拟或者模型的准确性。我们可以采用合理的理论模型，通过运行计算机程序描述分子的行为，然后通过统计平均来确定体系的宏观性质。如果模拟结果和实验数据之间差距很大，可以认为选择代表分子行为的聚集模型存在缺陷??理论(?theory)、模拟(?simulation)和实验(?experiment)三者之间的关系，它们相互补充、相互提供信息和数据。严格意义上讲，从模型到模拟的过程借助了数学表达式。我们可以认为存在这样的一个过程:理论模??由从头算、理论、启发性方法、经验方法所建立)→数学模型(用自变量、因变量、状态方程、运动方程、各个参数等所描述)→模拟计算(由边界条件、初始条件、算法、求解及结果所组成)。而模拟结果和实验数据之间的关系需理论、模拟和实验三者之间的关系过理论加以证明。简而言之，理论模型是由抽象理论和程序设计两方面的工作所组成，而所谓模拟仅仅是在一定条件下的程序执行过程和结果的分析，是另外一种“计算机”实验。 分子模拟是随着计算机的发展而发展的。1953年，?Metropolis在?Los?Alamos的ANLC计算机上完成的?Monte?Carlo模拟是分子模拟的开山之作。在整个?Monte?Carlo模拟过程中，会随机地产生各种尝试构象(?trial?configuration)，通过计算这些尝试构象的能按照一定的规则接受或者拒绝这种构象变化，从而完成一个?Monte?Carlo模拟步骤。Der和?Wainwright在1957年，创立了分子动力学模拟方法。分子动力学方法的基本思想是子间的作用力改变了分子坐标和动量，通过求解分子运动方程，得到体系的动力学信息Monte?Carlo方法不同的是，分子动力学始终受时间控制。二者的最大区别是:分子动力通过分子间作用力促使体系变化，而?Monte?Carlo方法则是通过不同构象之间的能量差异成构象的更迭这两种模拟技术现在各个领域都有广泛的应用。 分子模拟正处在这样一个交叉学科的新生长点上，国际上动向集中在三个方面：一是用分子模拟技术来“扫荡”高分子物理中以往尚不能解决的理论问题与实验问题；二是用分子模拟技术代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行新材的设计；三是分子模拟方法本身的不断发展。 高分子物理理论的材料化，是要求它能够指导具体的材料。从唯象的描述到分子、原子水的说明。这种发展导致了运用分子模拟方法，一方面对现有的论进行检验，另一方面对设计的实验进行筛选。分子模拟方法的发展与高分子的科学理论和材料设计的关系： 分子模拟 分子模拟 科学 高分子材料 发展方法 高分子理论 高分子设计 （二）教学目标（需包括知识、能力与素质方面的内容） 1. 理解高分子材料多尺度模拟的基本理论和方法。 2. 掌握量子化学、分子动力学、耗散粒子动力学和介观模拟的建模方法。 3. 了解Gaussian、Materials Studio、Chem Draw等模拟软件的基本操作和设置，并能熟练操作各个软件，进行参数设置。 二、课程内容与教学要求 第一章 分子模拟概念 （一）教学内容 分子模拟是指利用理论方法与计算技术，模拟或仿真分子运动的微观行为。广泛地应用于计算化学、计算生物学、材料科学等领域，小至单个化学分子，大至复杂生物体系或材料体系都可以是它用来研究的对象。高分子化学是大学化学专业本科生的必修课，是一门含有大量的物理思想、数学处理及数学公式的理论课程，因此学生在学习该课程过