基本信息

项目名称:
基于随机行走的分子模拟及分析系统
小类:
能源化工
简介:
本作品是一款计算化学模拟软件系统。本工作从诸多化学化工的基本扩散过程出发,建立了粒子在二维或准二维空间内扩散的随机行走模型,集成了数据分析模块和可视化界面。该软件有助于理解微纳米尺度内化学物质的传质过程。它已被国内外同行成功应用于膜传质、离子扩散、催化剂中的分子扩散等介观尺度下的扩散过程研究。
详细介绍:
一、基本原理 本软件从一大类介观尺度下的化学化工问题中抽象出二维受限空间中的随机行走模型,并以此为理论基础进行模拟与分析。其基本原理简要叙述如下。(1)二维空间的定义:借用结晶学原理以二维的重复结构“晶胞”来描述二维空间;另外在晶胞中定义了“势垒”以限制粒子的运动。(2)粒子的描述:粒子可以是抽象的质点或者具体的原子、分子等。(3)粒子运动的描述:粒子的运动是通过“步”来描述的,描述一步中粒子的位置的变化等信息,主要包括粒子速度的生成与粒子与势垒的作用。粒子的速率遵循给定的概率分布函数,其方向符合随机原理;粒子与势垒的作用可改变粒子运动速度大小和方向。根据我们对空间的定义,粒子的运动是在一个晶胞内考虑的;如果在一步中粒子穿过了晶胞的边界,则需要重置空间信息。(4)结果的分析:可以通过MSD、出现概率分布、空腔扩散等分析方法对得到的数据进行分析以供进一步的研究。 二、软件组织与结构 本软件严谨而有序的组织结构为可扩展性打下了基础。基本结构由三个主要模块构成,即界面、模拟与分析。界面模块是用户进行操作的部分;模拟模块是最核心的部分,负责完成随机行走的步骤;分析模块负责对模拟所得的数据进行分析。三个模块相对独立,通过定义的接口规范相互联系与通讯。 (详见研究报告软件组织与结构部分。) 三、使用方法 由于整个软件的界面是由MFC框架编写,因此其外观以及各种基本操作功能与一般的Windows程序一致,主界面上的子窗口有各自的功能,可以方便地进行参数设置以及查看结果。(详见研究报告软件界面部分。) 其使用流程为:首先在界面上进行各种参数的设置,然后调用模拟模块进行模拟,最后调用分析模块进行分析。由于软件在界面上提供了各种常用的文件操作功能,所以上述步骤可以从其中的任意一步开始,也可以在任意一步中止,从而大大增加了使用的灵活性。(详见研究报告软件工作流程部分。)

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  • 基于随机行走的分子模拟及分析系统
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

介观尺度内的粒子运动是化学化工领域的一类基本问题。目前对于几纳米到几千纳米,即介观尺度分子扩散过程的模拟是一个空白。现有的一些理论计算方法如用于模拟小体系的分子动力学和用于模拟大体系的有限元方法等都有局限性。其中分子动力学方法由于规模的限制而不可行,有限元方法因难以处理离散粒子运动而无法精确描述这一体系。然而在这一尺度内的众多的热点问题,如单分子分离、膜扩散、微流控等均要求提供一种快速有效的模拟工具,而这正是我们工作的核心。基于这一迫切的科研需求,我们通过归纳这一尺度内的粒子运动规律,创新性地把这些实际问题抽象为一类受限空间内的随机行走模型。在这一模型中,抽象粒子运动的平均自由程一般为受限空间单元尺寸几分之一到几千分之一。在这一理论框架下,我们设计与编写了计算化学软件系统,并留有规范的接口使之适用于其它类似的新体系。完成这一工作的关键是:首先根据物理化学知识和已有的实验结果对上述讨论的化学化工过程进行归纳,总结出其内在的一般规律;然后抽象建立可靠的受限空间随机行走理论模型;最后将这一模型通过程序设计语言转化为面向用户的多功能的计算化学软件系统。评价这一软件系统的主要标准为:(1)是否能方便、高效地完成所需的模拟任务;(2)模拟所得的结果与已有的理论与实验的结果的符合程度;(3)模拟所得的结果是否对化学理论或化工生产上的问题具有指导作用或预见性。

科学性、先进性

本软件以一种直观而高效的形式实现了对受限空间中的随机行走过程的模拟。它适用于对介观尺度内的一大类粒子运动问题的模拟研究,弥补了分子动力学及有限元等方法在这一尺度内的局限性。在这一模型框架下,我们同时考虑了问题的普遍性与特殊性,制定了统一的接口规范,并根据具体问题提供不同的参数设置与处理过程。本软件的科学性得到了文献结果的印证 [1][2],并成功应用在一些实际过程的模拟中。 [1] Niehaus, A. M. S., Vlachos, D. G., Edwards, J. S., Plechac, P., Tribe, R. Biophysical Journal(2008) 94: 1551-1564. [2] Takimoto, B., Nabika, H., Murakoshi, K. J. Phys. Chem. C(2009) 113: 3127-3132.

获奖情况及鉴定结果

作品所处阶段

应用推广阶段

技术转让方式

无偿提供予合作研究者

作品可展示的形式

现场展示 图片 视频

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

本软件为介观体系下化学化工领域的粒子运动及相关问题提供了一种方便有效的模拟工具。其理论模型具有高度的概括性与科学性,将这一类介观体系内的问题抽象为受限空间的随机行走模型;实现方法先进而高效,满足快速、大规模模拟的要求;分析手段多样化(如MSD、出现概率分布、空腔扩散等)且分析结果合理;用户界面清晰直观、功能齐全且便于操作。由于本软件在一定程度上兼具专用性与普适性,故应用面广。该软件既可以用于化学基础理论研究,也可以推广至对化工过程的模拟。在理论研究方面,它适用于单分子运动和有序膜中分子扩散规律的研究。在化工过程方面,可以模拟电渗膜中水合离子的跨膜运动、微流控芯片中待检测物质的运动、电池材料中电子扩散和离子扩散等。此外,本软件设置的统一接口为进一步开发其他复杂体系的模拟打下了基础。

同类课题研究水平概述

介观尺度下粒子运动的模拟研究缺乏通用而高效的模拟工具。在几纳米到几千纳米的尺度内,分子动力学与有限元的方法都有其固有缺陷,因此我们通过分析与归纳诸多与分子扩散相关的化学化工过程,提出了受限空间的随机行走模型,进而开发了适用于这一尺度下的计算化学模拟软件。 虽然随机行走的概念早在上个世纪初由Pearson提出[1],但随机行走在实际体系中的应用在接下来的一个世纪中很少被涉及。直到近几年,随机行走的应用开始被重视。文献报道了一些利用随机行走模型所做的模拟工作,如膜中粒子运动规律的研究[2][3]、催化剂中气体的扩散[4]等。但这些工作缺乏概括性,并未提出这些过程的本质;并且这一类研究缺乏系统而有效的研究工具,所以难以推广。 我们的工作建立在以上工作的基础上,力求为一大类介观尺度下的化学化工问题(如单分子分离、膜扩散、微流控等)提供普适的研究工具。由于我们所用的基本模型——受限空间随机行走是从这一大类问题中抽象得到的,所以具有普适性;对于不同的研究课题有不同参数设置,所以又具有专用性;本软件为自主编写,具有可扩展性。本软件可作为介观尺度下的物质扩散过程研究的普适工具,具有完全的自主知识产权。 参考文献 [1]Pearson, K. Nature(1905) 72: 294. [2]Niehaus, A. M. S., Vlachos, D. G., Edwards, J. S., Plechac, P., Tribe, R. Biophysical Journal(2008) 94: 1551-1564. [3]Pozuna, Z. D., Henkelma. G. Journal of Membrane Sciencen(2010) 364: 9-16. [4]缪明烽, 沈湘林. 电力科技与环保(2010) 26: 15-18.
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