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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于隨機(jī)行走的分子模擬及分析系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 能源化工
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 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(guò)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(guò)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(guò)程研究。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、基本原理 本軟件從一大類(lèi)介觀尺度下的化學(xué)化工問(wèn)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(lái)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(guò)“步”來(lái)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(guò)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(guò)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)。基本結(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(hù)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(guò)定義的接口規(guī)范相互聯(lián)系與通訊。 (詳見(jiàn)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(xiě)，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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)研究報(bào)告軟件工作流程部分。)
作品圖片
作品專(zhuān)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(lèi)基本問(wèn)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(guò)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(wú)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(wèn)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。基于這一迫切的科研需求，我們通過(guò)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(wèn)題抽象為一類(lèi)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(xiě)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(lèi)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(guò)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(guò)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為面向用戶(hù)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(wèn)題具有指導(dǎo)作用或預(yù)見(jiàn)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(guò)程的模擬。它適用于對(duì)介觀尺度內(nèi)的一大類(lèi)粒子運(yùn)動(dòng)問(wèn)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(wèn)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(wèn)題提供不同的參數(shù)設(shè)置與處理過(guò)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(guò)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(wú)
作品所處階段
- 應(yīng)用推廣階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)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(shuō)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(shuō)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(wèn)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(lèi)介觀體系內(nèi)的問(wèn)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(mǎn)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(hù)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(zhuān)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)其他復(fù)雜體系的模擬打下了基礎(chǔ)。
同類(lèi)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(guò)分析與歸納諸多與分子擴(kuò)散相關(guān)的化學(xué)化工過(guò)程，提出了受限空間的隨機(jī)行走模型，進(jìn)而開(kāi)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(lái)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(kāi)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(guò)程的本質(zhì)；并且這一類(lèi)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(lèi)介觀尺度下的化學(xué)化工問(wèn)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(lèi)問(wèn)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(zhuān)用性；本軟件為自主編寫(xiě)，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(guò)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.
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