手性分子自組裝膜和碳酸鈣成核現(xiàn)象的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、碳酸鈣是一套通過模擬分子體系的運(yùn)動(dòng)來研究其性質(zhì)的方法，其基本思想是根據(jù)牛頓力學(xué)來模擬分子體系的運(yùn)動(dòng)。首先建立一組關(guān)于分子運(yùn)動(dòng)的方程，通過對(duì)系統(tǒng)中分子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值求解，從而得到每個(gè)時(shí)刻各個(gè)分子的坐標(biāo)與動(dòng)量，即在相空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用各種統(tǒng)計(jì)方法得到系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)。隨著動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，現(xiàn)在分子動(dòng)力學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了恒定壓力，恒定溫度，巨正則系綜等條件下的模擬。分子動(dòng)力學(xué)在體系宏觀性質(zhì)的計(jì)算上具有很高的準(zhǔn)

2、確度和有效性，被廣泛應(yīng)用于物理，化學(xué)，生物，材料，醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的模擬研究。特別是在過去的數(shù)十年中，隨著現(xiàn)代分子結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，人們建造了眾多關(guān)于各種生物分子體系的力場，并開發(fā)出許多分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件包。由于各種實(shí)驗(yàn)手段的限制，全原子的分子動(dòng)力學(xué)模擬，特別是結(jié)合更高精度的第一性原理的計(jì)算方法，在生物分子體系的研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文分共為三章，第一章我們簡要介紹了分子動(dòng)力學(xué)方法的理論基礎(chǔ)，后兩章中我們運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)的方法分別

3、研究了分子自組裝體系和碳酸鈣溶液中的成核現(xiàn)象。
　　 在第一章中，我們首先簡單回顧了分子動(dòng)力學(xué)方法的發(fā)展歷史，介紹了分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法基礎(chǔ)，包括動(dòng)力學(xué)系綜理論，運(yùn)動(dòng)方程與積分算法，模擬過程中的溫度和壓力控制方法，以及分子動(dòng)力學(xué)中計(jì)算亥姆霍茲自由能的方法。最后我們介紹了幾種當(dāng)前比較流行的分子力場和計(jì)算軟件包。
　　 第二章中，我們主要模擬了單鏈DNA分子(ssDNA)在手性N-異丁酰半胱氨酸(NIBC)分子自組裝膜(SA

4、M)表面上的吸附行為。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)單鏈DNA分子在不同手性的NIBC分子自組裝膜上的吸附行為有顯著的不同。我們首先考慮了手性NIBC分子在Au(111)表面上的形成的不同自組裝膜的結(jié)構(gòu)，計(jì)算了在不同NIBC-SAM模型中，ssDNA分子與NIBC自組裝膜以及自組裝膜周圍水分子之間的作用力，分析了不同的NIBC-SAM模型的偶極矩。我們認(rèn)為具有不同偶極矩方向的NIBC-SAM與帶有負(fù)電荷的ssDNA分子的之間的庫侖相互作用是導(dǎo)致ssDNA分

5、子在NIBC分子自組裝膜上“手性”吸附的主要原因。
　　 第三章中，我們運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了碳酸鈣溶液中無定形碳酸鈣(ACC)團(tuán)簇的形成機(jī)制。近年來，實(shí)驗(yàn)和理論研究都表明傳統(tǒng)的成核-結(jié)晶模型不足以反映碳酸鈣溶液中的晶體形成機(jī)制。我們首先以碳酸鉀溶液為對(duì)照，模擬了碳酸鈣溶液中的無定形碳酸鈣(ACC)團(tuán)簇的形成過程，發(fā)現(xiàn)在水溶液中，Ca2+和CO2-3可以自發(fā)的形成穩(wěn)定的ACC團(tuán)簇，而K+和CO32-之間則沒有類似的現(xiàn)象；我們也