《高分子材料的分子模拟方法及应用》课程教学大纲（本科）.pdf

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 》、《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 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 发展方法 科学 高分子材料 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）