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手性分子自组装膜和碳酸钙成核现象的分子动力学研究

作　者: 梁海清
导　师: 杨金龙；李震宇
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 化学物理
关键词: 分子动力学自组装膜手性表面 ssDNA吸附无定形碳酸钙成核
分类号: O614.231
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

分子动力学是一套通过模拟分子体系的运动而研究其性质的方法,其基本思想是根据牛顿力学来模拟分子体系的运动。首先建立一组关于分子运动的方程,通过对系统中分子运动方程进行数值求解,从而得到每个时刻各个分子的坐标与动量,即在相空间的运动轨迹,再利用各种统计方法得到系统的静态和动态特性,从而得到系统的宏观热力学性质。随着动力学理论的发展,现在分子动力学已经实现了恒定压力,恒定温度,巨正则系综等条件下的模拟。与蒙特卡洛方法相比,分子动力学方法在宏观性质的计算上具有更高的准确度和有效性,被广泛应用于物理,化学,生物,材料,医学等各个领域的模拟研究。特别是在过去的数十年中,随着现代分子结构生物学的发展,人们建造了众多关于各种生物分子体系的力场,并开发出许多分子动力学计算软件包。由于各种实验手段的限制,全原子的分子动力学模拟,特别是结合更高精度的第一性原理的计算方法,在生物分子体系的研究中发挥着越来越重要的作用。本文分共为三章,第一章我们简要介绍了分子动力学方法的理论基础,后两章中我们运用分子动力学的方法分别研究了分子自组装体系和碳酸钙溶液中成核现象。在第一章中,我们首先简单回顾了分子动力学方法的发展历史,介绍了分子动力学模拟的方法基础,包括动力学系综理论,运动方程与积分算法,模拟过程中的温度和压力控制的方法,以及分子动力学中计算亥姆霍兹自由能的方法。最后我们介绍了几种当前比较流行的分子力场和计算软件包。第二章中,我们主要模拟了单链DNA分子（ssDNA）在手性N-异丁酰半胱氨酸（NIBC）分子自组装膜（SAM）表面上的吸附行为。实验上发现单链DNA分子在不同手性的NIBC分子自组装膜上的吸附行为有显著的不同。我们首先考虑了手性NIBC分子在Au（111）表面上的形成的不同自组装膜的结构,计算了在不同NIBC-SAM模型中, ssDNA分子与NIBC自组装膜以及自组装膜周围水分子之间的作用力,分析了不同的NIBC-SAM模型的偶极距。我们认为具有不同偶极距方向的NIBC-SAM与带有负电荷的ssDNA分子的之间的库伦相互作用是导致ssDNA分子在NIBC分子自组装膜上“手性”吸附的主要原因。第三章中,我们运用分子动力学方法研究了碳酸钙溶液中无定形碳酸钙（ACC）团簇的形成机制。近年来,实验和理论研究都表明传统的成核-结晶模型不足以反映碳酸钙溶液中的晶体形成机制。我们首先以碳酸钾溶液为对照,模拟了碳酸钙溶液中的无定形碳酸钙（ACC）团簇的形成过程,发现在水溶液中, Ca2+和CO32?可以自发的形成稳定的ACC团簇,而K+和CO32?之间则没有类似的现象;我们也计算了水溶液中相关离子之间的离解自由能,并模拟了在水溶液中的加入不同数目的OH?1对ACC团簇形成过程的影响,发现OH^-1会与CO₃^2-竞争Ca²⁺ ,形成Ca（OH）₂ ,从而影响溶液中ACC团簇的形成。我们发现适量的OH^-1离子（对应合适的溶液pH值）会促进（ACC）团簇的形成,但是过多的OH^-1 （对应溶液pH值较高）则不利于形成稳定的ACC团簇。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-10
第一章分子动动力力学基础  10-25
  1.1 引言  10-11
  1.2 量子力学与分子力学  11-12
  1.3 动力学系综  12-13
  1.4 运动方程与积分算法  13-16
  1.5 分子动力学中的温度和压力控制方法  16-20
    1.5.1 恒压体系的模拟  17-18
    1.5.2 恒温体系的模拟  18-20
  1.6 势函数与分子力场  20-21
  1.7 自由能的计算  21-23
    1.7.1 自由能微绕  21-23
    1.7.2 热力学积分方法计算自由能  23
  1.8 本论文所采用的力场与软件包  23-25
第二章 ssDNA 在手性分子自组装膜上的吸附  25-38
  2.1 研究背景  25-30
    2.1.1 分子自组装与手性表面  25-28
    2.1.2 分子自组装膜及其表面吸附  28-30
  2.2 模型与计算细节  30-34
  2.3 ssDNA 在NIBC自组装膜上的吸附  34-37
  2.4 小结  37-38
第三章碳酸钙溶液中成核过程的分子动动力力学研究  38-53
  3.1 研究背景  38-44
    3.1.1 经典成核-结晶模型  38-40
    3.1.2 CNT 的缺点和非经典成核模型  40-43
    3.1.3 CaCO_3 的结晶  43-44
  3.2 计算方法与细节  44-45
  3.3 无定形碳酸钙团簇的生长  45-48
  3.4 离解自由能的计算  48-50
  3.5 氢氧根负离子(OH~(-1)) 在碳酸钙团簇生长过程中的作用  50-52
  3.6 小结  52-53
参考文献  53-57
硕士期间发表的论文  57-58
致谢  58

手性分子自组装膜和碳酸钙成核现象的分子动力学研究

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