基本信息
- 項(xiàng)目名稱:
- 基于隨機(jī)行走的分子模擬及分析系統(tǒng)
- 小類:
- 能源化工
- 大類:
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介:
- 本作品是一款計(jì)算化學(xué)模擬軟件系統(tǒng)。本工作從諸多化學(xué)化工的基本擴(kuò)散過程出發(fā),建立了粒子在二維或準(zhǔn)二維空間內(nèi)擴(kuò)散的隨機(jī)行走模型,集成了數(shù)據(jù)分析模塊和可視化界面。該軟件有助于理解微納米尺度內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的傳質(zhì)過程。它已被國(guó)內(nèi)外同行成功應(yīng)用于膜傳質(zhì)、離子擴(kuò)散、催化劑中的分子擴(kuò)散等介觀尺度下的擴(kuò)散過程研究。
- 詳細(xì)介紹:
- 一、基本原理 本軟件從一大類介觀尺度下的化學(xué)化工問題中抽象出二維受限空間中的隨機(jī)行走模型,并以此為理論基礎(chǔ)進(jìn)行模擬與分析。其基本原理簡(jiǎn)要敘述如下。(1)二維空間的定義:借用結(jié)晶學(xué)原理以二維的重復(fù)結(jié)構(gòu)“晶胞”來描述二維空間;另外在晶胞中定義了“勢(shì)壘”以限制粒子的運(yùn)動(dòng)。(2)粒子的描述:粒子可以是抽象的質(zhì)點(diǎn)或者具體的原子、分子等。(3)粒子運(yùn)動(dòng)的描述:粒子的運(yùn)動(dòng)是通過“步”來描述的,描述一步中粒子的位置的變化等信息,主要包括粒子速度的生成與粒子與勢(shì)壘的作用。粒子的速率遵循給定的概率分布函數(shù),其方向符合隨機(jī)原理;粒子與勢(shì)壘的作用可改變粒子運(yùn)動(dòng)速度大小和方向。根據(jù)我們對(duì)空間的定義,粒子的運(yùn)動(dòng)是在一個(gè)晶胞內(nèi)考慮的;如果在一步中粒子穿過了晶胞的邊界,則需要重置空間信息。(4)結(jié)果的分析:可以通過MSD、出現(xiàn)概率分布、空腔擴(kuò)散等分析方法對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以供進(jìn)一步的研究。 二、軟件組織與結(jié)構(gòu) 本軟件嚴(yán)謹(jǐn)而有序的組織結(jié)構(gòu)為可擴(kuò)展性打下了基礎(chǔ)?;窘Y(jié)構(gòu)由三個(gè)主要模塊構(gòu)成,即界面、模擬與分析。界面模塊是用戶進(jìn)行操作的部分;模擬模塊是最核心的部分,負(fù)責(zé)完成隨機(jī)行走的步驟;分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)模擬所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。三個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立,通過定義的接口規(guī)范相互聯(lián)系與通訊。 (詳見研究報(bào)告軟件組織與結(jié)構(gòu)部分。) 三、使用方法 由于整個(gè)軟件的界面是由MFC框架編寫,因此其外觀以及各種基本操作功能與一般的Windows程序一致,主界面上的子窗口有各自的功能,可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及查看結(jié)果。(詳見研究報(bào)告軟件界面部分。) 其使用流程為:首先在界面上進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置,然后調(diào)用模擬模塊進(jìn)行模擬,最后調(diào)用分析模塊進(jìn)行分析。由于軟件在界面上提供了各種常用的文件操作功能,所以上述步驟可以從其中的任意一步開始,也可以在任意一步中止,從而大大增加了使用的靈活性。(詳見研究報(bào)告軟件工作流程部分。)
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 介觀尺度內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)是化學(xué)化工領(lǐng)域的一類基本問題。目前對(duì)于幾納米到幾千納米,即介觀尺度分子擴(kuò)散過程的模擬是一個(gè)空白?,F(xiàn)有的一些理論計(jì)算方法如用于模擬小體系的分子動(dòng)力學(xué)和用于模擬大體系的有限元方法等都有局限性。其中分子動(dòng)力學(xué)方法由于規(guī)模的限制而不可行,有限元方法因難以處理離散粒子運(yùn)動(dòng)而無法精確描述這一體系。然而在這一尺度內(nèi)的眾多的熱點(diǎn)問題,如單分子分離、膜擴(kuò)散、微流控等均要求提供一種快速有效的模擬工具,而這正是我們工作的核心?;谶@一迫切的科研需求,我們通過歸納這一尺度內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律,創(chuàng)新性地把這些實(shí)際問題抽象為一類受限空間內(nèi)的隨機(jī)行走模型。在這一模型中,抽象粒子運(yùn)動(dòng)的平均自由程一般為受限空間單元尺寸幾分之一到幾千分之一。在這一理論框架下,我們?cè)O(shè)計(jì)與編寫了計(jì)算化學(xué)軟件系統(tǒng),并留有規(guī)范的接口使之適用于其它類似的新體系。完成這一工作的關(guān)鍵是:首先根據(jù)物理化學(xué)知識(shí)和已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述討論的化學(xué)化工過程進(jìn)行歸納,總結(jié)出其內(nèi)在的一般規(guī)律;然后抽象建立可靠的受限空間隨機(jī)行走理論模型;最后將這一模型通過程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為面向用戶的多功能的計(jì)算化學(xué)軟件系統(tǒng)。評(píng)價(jià)這一軟件系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)為:(1)是否能方便、高效地完成所需的模擬任務(wù);(2)模擬所得的結(jié)果與已有的理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的符合程度;(3)模擬所得的結(jié)果是否對(duì)化學(xué)理論或化工生產(chǎn)上的問題具有指導(dǎo)作用或預(yù)見性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本軟件以一種直觀而高效的形式實(shí)現(xiàn)了對(duì)受限空間中的隨機(jī)行走過程的模擬。它適用于對(duì)介觀尺度內(nèi)的一大類粒子運(yùn)動(dòng)問題的模擬研究,彌補(bǔ)了分子動(dòng)力學(xué)及有限元等方法在這一尺度內(nèi)的局限性。在這一模型框架下,我們同時(shí)考慮了問題的普遍性與特殊性,制定了統(tǒng)一的接口規(guī)范,并根據(jù)具體問題提供不同的參數(shù)設(shè)置與處理過程。本軟件的科學(xué)性得到了文獻(xiàn)結(jié)果的印證 [1][2],并成功應(yīng)用在一些實(shí)際過程的模擬中。 [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.
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 應(yīng)用推廣階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無償提供予合作研究者
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)展示 圖片 視頻
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本軟件為介觀體系下化學(xué)化工領(lǐng)域的粒子運(yùn)動(dòng)及相關(guān)問題提供了一種方便有效的模擬工具。其理論模型具有高度的概括性與科學(xué)性,將這一類介觀體系內(nèi)的問題抽象為受限空間的隨機(jī)行走模型;實(shí)現(xiàn)方法先進(jìn)而高效,滿足快速、大規(guī)模模擬的要求;分析手段多樣化(如MSD、出現(xiàn)概率分布、空腔擴(kuò)散等)且分析結(jié)果合理;用戶界面清晰直觀、功能齊全且便于操作。由于本軟件在一定程度上兼具專用性與普適性,故應(yīng)用面廣。該軟件既可以用于化學(xué)基礎(chǔ)理論研究,也可以推廣至對(duì)化工過程的模擬。在理論研究方面,它適用于單分子運(yùn)動(dòng)和有序膜中分子擴(kuò)散規(guī)律的研究。在化工過程方面,可以模擬電滲膜中水合離子的跨膜運(yùn)動(dòng)、微流控芯片中待檢測(cè)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、電池材料中電子擴(kuò)散和離子擴(kuò)散等。此外,本軟件設(shè)置的統(tǒng)一接口為進(jìn)一步開發(fā)其他復(fù)雜體系的模擬打下了基礎(chǔ)。
同類課題研究水平概述
- 介觀尺度下粒子運(yùn)動(dòng)的模擬研究缺乏通用而高效的模擬工具。在幾納米到幾千納米的尺度內(nèi),分子動(dòng)力學(xué)與有限元的方法都有其固有缺陷,因此我們通過分析與歸納諸多與分子擴(kuò)散相關(guān)的化學(xué)化工過程,提出了受限空間的隨機(jī)行走模型,進(jìn)而開發(fā)了適用于這一尺度下的計(jì)算化學(xué)模擬軟件。 雖然隨機(jī)行走的概念早在上個(gè)世紀(jì)初由Pearson提出[1],但隨機(jī)行走在實(shí)際體系中的應(yīng)用在接下來的一個(gè)世紀(jì)中很少被涉及。直到近幾年,隨機(jī)行走的應(yīng)用開始被重視。文獻(xiàn)報(bào)道了一些利用隨機(jī)行走模型所做的模擬工作,如膜中粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[2][3]、催化劑中氣體的擴(kuò)散[4]等。但這些工作缺乏概括性,并未提出這些過程的本質(zhì);并且這一類研究缺乏系統(tǒng)而有效的研究工具,所以難以推廣。 我們的工作建立在以上工作的基礎(chǔ)上,力求為一大類介觀尺度下的化學(xué)化工問題(如單分子分離、膜擴(kuò)散、微流控等)提供普適的研究工具。由于我們所用的基本模型——受限空間隨機(jī)行走是從這一大類問題中抽象得到的,所以具有普適性;對(duì)于不同的研究課題有不同參數(shù)設(shè)置,所以又具有專用性;本軟件為自主編寫,具有可擴(kuò)展性。本軟件可作為介觀尺度下的物質(zhì)擴(kuò)散過程研究的普適工具,具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 參考文獻(xiàn) [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]繆明烽, 沈湘林. 電力科技與環(huán)保(2010) 26: 15-18.