4  凝聚态聚乙烯力学性能的模拟研究 27

4。1  引言 27

4。2  凝聚态聚乙烯力学性能的模拟 27

4。3  结果与讨论 27

4。4  本章小结 29

结  论 30

致  谢 31

参考文献 32

1  绪论

随着计算机科学的发展，在自然科学研究中计算机模拟这个方法先得更加便捷和高效。特别是对于多体问题，理论上往往很难得到解析的解，但是通过计算机模拟我们就可以轻松得到体系在各种情况下的性质。在实际应用方面，计算机模拟可以减少大量材料加工设计的所需时间，因为可以先由计算机模拟筛选出少量的样品再进行实验。计算机模拟在高分子领域的应用的发展主要基于三个方面，分子力场的发展、模拟分子体系算法的发展和计算机硬件软件的发展[1]。 

1。1  分子模拟的发展历史

分子模拟泛指模拟分子或分子体系性质的方法，是对真实分子系统的计算机模拟，定位于三维结构的分子结构和性质，可以通过计算机模拟清晰展示分子的机制为基础进行直接计算或者借助实验数据确定分子构象或者相关的分子与分子，分子与体系，分子与原子的相互作用或动态行为，建立起一系列的模型和相应的算法，从而计算出合理的分子结构和分子行为[2]。

分子模拟的发展大致可以分为这么3个阶段，分别是分子的静态分析，分子的动态分析，计算机硬软件的发展，这三者相互联系，相互完善，才使得分子模拟技术可以对真实的分子进行真实的模拟。论文网

静态的分析包括了一些基本理论的提出与完善，像结构化学、晶体化学、量子力学、分子力学等，以及各种与分子原子性质密切联系的近似模型。分子模拟正是在这些基础上发展起来的，而其中量子力学和分子力学则是其两大支柱。量子力学正式诞生于1926年薛定谔提出的薛定谔方程，可以深刻而精确地反映微观粒子运动规律[3]。1927年Heitler和London即用该方程求解出了氢原子的轨道标志了量子化学的出现；1931年Linus Pauling在这个基础上提出价键理论并因此获得1954年诺贝尔化学奖。为了降低薛定谔方程求解的复杂性，科学家们开发出许多其他近似方法。Pople提出π电子体系的分子轨道近似理论，发展了从头计算法并将其工具化，Kohn提出密度泛函理论;分子力学在20世纪30年代提出，1957年Alder和Wainwright报道了世界上第一例分子动力学模拟[4]。1971年Rahman和Stillinger对液态水的动力学模拟，使分子模拟具有了实际意义，分子模拟开始从静态分析向动态分析过渡，得到的结果也更符合真实状态。在对高分子进行模拟时，广泛运用的是分子力学的方法[5,6]，可用于计算高分子材料的分子结构、构象、能量、动力学性质、热力学性质等方面[7]。

动态分析即指的是模拟分子体系的算法，如统计力学、分子动力学、蒙特卡洛随机算法等。分子动力学模拟和蒙特卡洛法是两种常见的分子模拟方法[8]。其中分子动力学模拟运用经典力学方法研究微观分子的运动规律就算求得体系的宏观特性和基本规律，蒙特卡洛法起源于利用计算机对中子扩散进行随机抽样模拟，以Metropolis和Ulam两位科学家于1924年发表的论文为诞生标志[9]，这种方法是建立在统计学基础上，建立概率模型，再通过计算机求得该结果作为近似解，可以比较简单地解决多维或因素复杂的问题。为计算机软硬件发展主要表现在计算机的计算速度已经能够满足对真实分子体系的模拟，并且有许多功能强大，而且图形界面设计优秀的计算软件[10]。以下是目前一些主流的分子模拟软件：Materials Studio，建立3D模型十分方便，可以深入分析结晶材料，如有机晶体，无机晶体等，也可以进行聚合物建模和性质预测等研究；ANSYS，是一款大型通用有限元分析软件，可以进行结构、流体、电场、磁场、声场等多种分析[11]；Amber，著名的分子动力学软件，可对生物大分子进行模拟；Gromacs，可以用分子动力学、随机动力学或者路径积分方法模拟溶液或晶体中的任意分子，对分子能量进行最小化，分析其构象等。