（凝聚态物理专业论文）双新分子膜的模拟研究与热力学标度monte+carlo方法的开发.pdf

学位论文数据集 1 1 1 11 11 111 1 l1 1 11 11i iiii 、i18 7 7 9 9 0 中图分类号 q 学科分类号 5 p 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 研细 密 级公开 学位授予单位代码 1 0 1 7 d 学位授予单位名称 二 匕缸l 婵 作者姓名 呈文 学号 跏扣d d c 7 获学位专业名称 凝暖态物理 获学位专业代码 6 和力弓 课题来源 燃料学墟 研究方向 t 萤物理 论文题目 双菊钓觞萌转躺黼考删搬 f 施泓膏崮锄：浚 关键词 蔽陵磁勰，眈劾荣男，恕珈撵，熟力蝌旋 论文答辩日期 r o o l l 5 ) j 论文类型 芝酾薮 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师 磅铭每泓龙袭旺d 嘶稍物馥 评阅人1 声黼袤笈油撕f 爿豳党升】i 耀 评阅人2 黄芑簿霾挺北靓工大尊勿寻枞 评阅人3 艚袭燃北砒大挲亿工效力尊 评阅人4 评阅人5 答辩委员纵 滩艾敦拯墙拿大学婊暇在，耀 答辩委员1 稚落溅北囊翟工太尊凝襄态物理 答辩委员2 黼，袭拯贼东两婵凝瑗态物罐 答辩委员3 蠡：矢云袤授北素亿z 大学凝嚷志、物礁 答辩委员4 荆望教授北京化工缚凝瑗态。砸 答辩委员5 冱：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( 中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 双亲分子膜的模拟研究与热力学标度m o n t eo a r10 方 法的开发 摘要 双亲性表面活性剂分子由于其特殊的分子结构很容易在界面上自组 装成介观尺度下有序结构，比如液膜或者在溶剂中形成胶束。液膜( l i q u i d f i l m ) 作为一种重要的分离手段，在理论研究和实际应用中已得到了很大的 发展。液膜是否稳定与膜相体系的组成紧密相关，而且表面活性剂在膜体 系中所起作用是至关重要的。本文针对液膜体系的表面活性剂分子在汽液 界面的吸附状态及稳定性作了一系列晶格蒙特卡洛方法( l a t t i c em o n t e c 2 u r l o ，l m c ) 的分子模拟研究。 具有双亲结构的磷脂分子，是构成生物膜的重要组成部分。本文中研 究的磷脂分子是二棕榈酰磷脂酰胆碱，简称d p p c 。这种分子在实验上己 成功应用于制备l b 分子有序薄膜，但在其微观层面表面波动还是研究的 难题。为此我们使用分子动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 模拟了 磷脂分子d p p c 所构成双层膜的表面波动情况，为理论研究和实际应用提 供了重要依据。 在流体相平衡的计算中，计算机模拟应用于实际体系的障碍在于表征 分子间相互作用的力场参数的确定，尤其是交互作用参数。交互作用参数 的确定目前只能进行繁琐的迭代或试差，为解决这一问题，作者在这一方 面做了一些新的尝试。 本文具体的主要内容包括： i 北京化工人学硕上学化论文 l 、采用晶格蒙特卡洛( l a t t i c em o n t ec a r l o ，l m c ) 方法模拟研究了 由表面活性剂分子构成的液膜体系形貌及形貌转变，重点考察表面活性剂 分子在临界胶束浓度( c r i t i c a lm i c e l l a rc o n c e n t r a t i o n ，c m c ) 附近在汽液 界面和液膜主体溶液中吸附状态的转变。通过分析我们发现在临界胶束浓 度附近，表面活性剂分子在汽液界面上和液膜主体溶液中有很明显的涨落， 形成了两个相对稳定并交替变化的状态，这是一个双稳态。 2 、使用了g r o m a c s 软件以及m a r r i n k 粗粒化模型对磷脂分子d p p c 进行了分子动力学( m ) 模拟。分别研究了压缩常数，压力和模拟盒子 尺寸对磷脂双层膜浓度分布的影响，研究了表面张力在生物膜中的传播特 征。 3 、本文利用g r a h a m ，v a l l e a u 和k i y o h a r a 等人提出并发展的热力学标 度( t h e r m o d y n a m i cs c a l i n g ) 7 与- 法来拟合交互作用参数万，并提出了一种优 化热力学标度方法中权重的方法，这种基于微扰思想的方法只需对参考态 进行一个模拟计算，它的计算收敛很快，不仅极大节省了计算量而且提高 了计算精度。本文也讨论了这种方法推广应用于流体相平衡计算的可能性。 关键词：液膜，磷脂双层膜，晶格蒙特卡罗，分子动力学，表面活性剂， 临界胶束浓度，流体相平衡，二元交互作用参数，热力学标度m o n t ec a r l o 方法，热力学标度吉布斯系综 摘要 s i m u la i t i o n s m e m b r a n e o f a n d a m p h i p h i l i cm o l e c u l a r d e v e l o p m e n to f t h e r m o d y n a m i cs c a l i n gm o n t ec a r l om e t h o d a b s t r a c t l i q u i df i l mi sc o m p o s e do fs u r f a c t a n t sf o rw h i c hi t su n i q u ea r c h i t e c t u r e s r e s u l ti nt h e i rs e l f - a s s e m b l yi n t ot h eo r d e r e ds t r u c t u r e sa tm e s o s c o p i cs c a l e t h es t a b i l i z a t i o no fl i q u i df i l mi sc r u c i a l l yr e l a t e dt ot h er o l eo fs u r f a c t a n t s w eu s e dl a t t i c em o n t ec a r l o ( l m c ) s i m u l a t i o nm e t h o dt o s t u d yt h e a g g r e g a t i o nb e h a v i o r so fs u r f a c t a n t si nt h el i q u i df i l m p h o s p h o l i p i dm o l e c u l e s ，w h i c ha r ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fc e l l u l a r m e m b r a n e ，a r e o f a m p h i p h i l i c s t r u c t u r e i no u r r e s e a r c h ，p h o s p h o l i p i d m o l e c u l e sa r e d i p a l m i t o y lp h o s p h a t i d y lc h o l i n e ，( d p p c ) ，h a v eb e e n s u c c e s s f u l l yu s e dt op r e p a r em o l e c u l a ro r d e r e dl bf i l me x p e r i m e n t a l l y i nt h i s w o r k , w eu s e dm o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d ( m d ) t oi n v e s t i g a t es u r f a c e f l u c t u a t i o n so fl i p i db i l a y e rc o n s i s t i n go f p h o s p h o l i p i dm o l e c u l e s f o rc o m p u t e rs i m u l a t i o n so nf l u i dp h a s ee q u i l i b r i u m c a l c u l a t i o n s ，a n i m p o r t a n ti s s u ei st od e t e r m i n et h eu n l i k ep a i ri n t e r a c t i o np a r a m e t e rb e t w e e n u n l i k ec o m p o n e n t s ，w h i c hi sa tp r e s e n td e t e r m i n e db yat r i a l a n d t e s tm e t h o d o rb yl a b o r i o u si t e r a t i v ec a l c u l a t i o n s i nt h i sw o r kw ed i ds o m ea t t e m p t st o i i i 北京化工人学硕士学位论文 s o l v et h ep r o b l e m t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 l m cm e t h o dw a su s e dt o s t u d y t h e a d s o r p t i o nm o r p h o l o g i e sa n d a g g r e g a t i o no fs u r f a c t a n t si n t h el i q u i df i l mo nav a p o r - l i q u i di n t e r f a c e ， f o c u s i n go nm o r p h o l o g yt r a n s i t i o nn e a rt h ec r i t i c a lm i c e l l a rc o n c e n t r a t i o n ( c m c ) m o r e o v e r , i nt h i sw o r k ，w ef o u n dw i t hl m c c a l c u l a t i o n st h a tt h e a d s o r p t i o na m o u n ta n ds t a t e so fs u r f a c t a n t sf l u c t u a t es t r o n g l yn e a rc m c ， f o r m i n gt w oa l t e r n a t i n gr e l a t i v e l ys t a b l es t a t e s ，w h i c hi sab i s t a b l es y s t e m 2 w eu s e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) s i m u l a t i o nw i t hg r o m a c ss o f t w a r ea n d m a r r i n kc o a r s eg r a i n e dm o d e lf o rt h ep h o s p h o l i p i dm o l e c u l e s ( d p p c ) w e s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fc o m p r e s s i o nc o n s t a n t s ，l a t e r a l p r e s s u r e a n d s i m u l a t e db o xs i z eo nt h ed i s t r i b u t i o no fl i p i dm o l e c u l e so ft h eb i l a y e r 3 i nt h i sw o r k ，b a s i n go nt h et h e r m o d y n a m i cs c a l i n gm e t h o dp u tf o r w a r da n d d e v e l o p e db yg r a h a m ，v a l l e a ua n dk i y o h a r ae t c ，w ep r o p o s ean e w m e t h o dt oc a l c u l a t et h ef l u i dp h a s ee q u i l i b r i af o rar a n g eo fu n l i k ep a i r i n t e r a c t i o np a r a m e t e r si nas i n g l es i m u l a t i o nr u n ，w h i c hm a k e st h e d e t e r m i n a t i o no fu n l i k ep a r a m e t e rm u c he a s i l y i nt h i sw o r k ，w ea l s o p r e s e n tam e t h o dt oo p t i m i z et h ew e i g h ti nt h e r m o d y n a m i c ss c a l i n gm o n t e c a r l om e t h o d s t h em e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h ep e r t u r b a t i o nt h e o r y , r e q u i r e so n l yas i n g l es i m u l a t i o nr u no nar e f e r e n c es t a t e o u rs i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e t h o dc o n v e r g e sq u i c k l ya n di m p r o v e sg r e a t l yt h e c a l c u l a t i o na c c u r a c y 摘要 k e y w o r d s ：l i q u i df i l m ，l i p i db i l a y e r , l a t t i c em o n t ec a r l o ，m o l e c u l a r d y n a m i c s ，s u r f a c t a n t s ，c r i t i c a lm i c e l l a rc o n c e n t r a t i o n ，f l u i dp h a s ee q u i l i b r i u m ， u n l i k ei n t e r a c t i o np a r a m e t e r s ，t h e r m o d y n a m i cs c a l i n gm o n t ec a r l om e t h o d ， t h e r m o d y n a m i cs c a l i n gg i b b se n s e m b l e v f 1 录 目录 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 液膜的国外研究动态。2 1 3 磷脂膜的国外研究动态3 1 4 热力学标度蒙塔卡罗方法的国外研究动态4 1 5 分子模拟方法分类及应用4 1 6m o n t ec a r l o ( m c ) 方法5 1 6 1m e t r o p o l i s 的m o n t ec a r l o ( m c ) 方法5 1 6 2 不同系综下的m c 方法7 1 7 分子动力学方法( m d ) 8 1 7 1 郎之万动力学模拟一8 1 7 2 限制性和约束性分子动力学模拟9 1 7 3 不同系综下的m d 方法一9 1 7 4m c 方法与m d 方法的比较9 第二章液膜m o n t ec a r l o ( m e ) 分子模拟的研究1 1 2 1 模型和方法1 1 2 2 模拟结果分析13 2 4 结论2 l 第三章磷脂膜粗粒化分子动力学模拟的表面研究。2 3 3 1 模型2 3 3 1 1 磷脂膜的m a r r i n k 粗粒化模型2 3 3 1 2 模拟方法和参数2 6 3 2 模拟结果分析一2 8 3 2 1 压缩常数影响双层膜浓度分布一2 8 3 2 2 压强影响双层膜浓度分布3 0 3 2 3 尺寸影响双层膜浓度分布31 3 3 结论3 2 第四章流体相平衡计算中二元交互作用参数的确定：热力学标度m o n t e v i 北京化工人学硕上学化论文 c ar10 方j 法3 3 4 1t d s g e 方法用于拟合交互作用参数万的理论分析3 3 4 2 优化权重的新方法3 5 4 3 不同交互作用参数下使用新热力学标度方法模拟计算相平衡数据3 6 4 4 新方法获得的交互作用参数用于混合物相平衡的模拟3 8 4 5 总结一3 9 第五章全文总结4 l 参考文献4 3 j g 【谢4 7 研究成果及发表的学术论文4 9 作者与导师简介w 5 l v i i l i 录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2l i q u i df i l m 2 1 3p h o s p h o l i p i dm e m b r a n e 3 1 4 t h e r m o d y n a m i cs c a l i n gm o n t ec a r l o m e t h o d 4 1 5i n t r o d u c t i o no f m o l e c u l a rs i m u l a t i o nm e t h o d s ! ； 1 6m o n t ec a r l o ( m c ) m e t h o d 5 1 6 1m e t r o p o l i so f m o n t ec a r l o ( m c lm e t h o d 6 1 6 2m cm e t h o du n d e rd i f f e r e n te n s e m b l e s 7 1 7m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d ( m d ) 8 1 7 1s t o c h a s t i cd y n a m i c ss i m u l a t i o nm e t h o d 8 1 7 2r e s t r i c t i v em o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nm e t h o d 9 1 7 3t h em dm e t h o d su n d e rd i f f e r e n te n s e m b l e s 9 1 7 4m cm e t h o dc o m p a r e dw i t hm dm e t h o d 9 c h a p t e r 2m o l e c u l a rs i m u l a t i o n so fl i q u i df i l m 1 1 2 1m o d e la n dm e t h o d 1l 2 2s i m u l a t i o nr e s u l t s 1 ：； 2 z lc o n c l u s i o n sa n dd i s c u s s i o n s 2 1 c h a p t e r3m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n so fl i p i d m e m b r a n e ：! ：； ：；1m o d e l 2 3 3 1 1l i p i dm e m b r a n e ：m a r r i n kc o a r s e n i n g m o d e l ：1 6 3 1 2s i m u l a t i o nm e t h o da n dp a r a m e t e r s 2 5 ：；2s i m u l a t i o nr e s u l t s 2 8 3 2 1e f f e c t so fc o m p r e s s i o n c o n s t a n t ：1 8 v 1 i i 北京化上人学硕上学化论文 3 2 2e f f e c t so f p r e s s u r e 3 0 3 2 3e f f e c t so fb o xs i z e 31 3 3c o n c l u s i o n s 3 2 c h a p t e r4f l u i dp h a s ee e q u i l i b r i u mc a l c u l a t i o no fb i n a r yi n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s ：t h e r m o d y n a m i cs c a l i n gm o n t ec a r l om e t h o d 3 3 4 1t d s g em e t h o d su s e df o rf i t t i n gi n t e r a c t i o np a r a m e t e r s 3 3 4 2n e wm e t h o d sf o ro p t i m i z a t i n gw e i g h t 3 5 4 3p h a s ee q u i l i b r i u md a t af r o m t d s g e 3 6 4 4t h em e t h o df o ro b t a i n i n gt h ei n t e r a c t i o n p a r a m e t e r 3 8 4 5c o n c l u s i o n 3 9 c h a p t e r5m a i nc o n c l u s i o n s 4 1 r e f e r e n c e s 4 3 a c k n o w l e d g e m e n t 4 7 p ub l i s h e dp a p e r s 4 9 c u r r i c u l u mv i t a e 5 1 i x 绪论 1 1 前言 第一章绪论 本文的工作，分为三部分，一部分是对液膜在临界胶束浓度附近吸附状态的研究， 使用的是晶格蒙特卡洛模拟方法；另一部分是基于应用粗粒化模型对磷脂膜表面波动 与表面张力的传播进行分子动力学模拟研究；最后是使用热力学标度m o n t ec a r l o 方 法来确定流体相平衡计算中二元交互作用参数。 表面活性剂分子是包含疏水尾和亲水头的双亲分子。由于这种双亲分子的结构， 表面活性剂分子很容易在界面富集和溶液中聚集。在溶液中，表面活性剂分子的浓度 低于临界胶束浓度( c r i t i c a lm i c e l l a rc o n c e n t r a t i o n ，c m c ) 时，表面活性剂分子以 自由单体的形式分散存在。然而，在临界胶柬浓度附近，表面活性剂分子开始形成胶 束：疏水的尾朝里形成核，亲水的头朝外，外层被水所包裹；胶束形成后随着表面活 性剂浓度的增加，单体的浓度会在一定浓度范围内保持相对恒定不变。表面活性剂分 子在气液界面更倾向于把亲水的头朝向水，疏水的尾朝向气体来降低界面的表面张力。 双亲分子在气水界面的定向排列形成了郎缪膜。现在已经有很多技术方法来研究郎缪 膜动力学和结构上的性能，比如荧光学，布鲁斯特角显微镜，红外线拉曼光谱，x 射 线和中子散射，以及非线性光学的研究。在不同的时间和长度尺度，单层膜上有不同 的动力学事件发生，包括表面的波动和表面张力波( 界面波) 使膜从二维有序的相变 到三维的坍塌转变。现在郎缪膜的结构学和动力学研究大多是针对纯的表面活性剂水 汽系统以及和实验的一些对比。 表面活性剂分子所形成和稳定的液膜在工业方面有广泛的应用。薄液膜的热力学 亚稳体系的稳定性是所有液膜应用研究的核心。尽管薄液膜的唯象热力学理论已经建 立很长一段时间了，但是对于其热力学理论【1 1 的争论甚至困难在近几年也一直存在， 这些困难包括分离压的正确定义，液膜体系的宏观接触角的正确定义，以及实验测量 线性张力的困难。与唯象理论相比，基于分子的液膜稳定性研究具有极大的优势。比 如在我们的研究中，我们发现在临界胶束浓度附近，表面活性剂分子在界面上和溶液 中的聚集有很明显的涨落，形成了两个相对稳定并交替变化的状态，这是一个双稳态。 这种涨落是唯象理论所彳、= 能描述的。 磷脂膜是双亲分子在界面构成的另一种形式，它在理解非均相体系和肺表面活性 剂的生物性能方面有很重要的作用。二棕榈酰磷脂酰胆碱( d p p c ) 是研究的最多的 磷脂分子，所以在我们研究中选取了d p p c 。我们的研究主要是针对磷脂膜表面浓度 的传播及分布。 流体相平衡的重要性4 言而喻，计算机模拟和密度泛函理论在这方面的应用是大 北京化上人学硕上学化论文 有可为的。尤其是p a n g i o t o p o u l o s 提出的g i b b se n s e m b l e 方法，它能够存一个模拟计 算中获得相平衡数据。这相对于正则系综蒙塔卡罗( c a n o n i c a le n s e m b l em o n t ec a r l o ， c e m c ) 方法来说有了很大进步，因为后者需要经过多个模拟计算后才能扶得相半衡 数据。但是要模拟现实流体相平衡行为有一个很大的障碍，那就是实际体系力场参数的 确定，特别是彳 同分子间相互作用的交互作用参数。这个参数源于两个相互作用的 l j 分子的大小、极性的不同等因素。它的确定一直没有简便易行的方法，如果利用 不同的参数逐个验证去确定较符合的交互作用参数值，这样就要通过几个甚至几十个 模拟计算来确定它，这是一个繁重的工作。为了解决这一问题，本文在热力学标度蒙 塔卡罗方法的基础上提出了一种模拟交互作用参数的方法，使一个模拟计算中遍及一 个交互作用参数范围。 1 2 液膜的国外研究动态 液膜作为学术和科研的重要内容已经有很多年了，这主要是因为液膜具有多种多 样的性质，包括外观和稳定性。肥皂泡就是一个例子。薄液膜可以视为一个经典的微 小热力学系统。因为薄膜中有液核和双亲分子的存在，这种系统有着特殊的行为。薄 膜结构是多个表面张力相互竞争的舞台，它们决定着薄液膜的大部分性质。同时，薄 液膜也可以看做是纳米科学的一个研究范例。薄液膜也能看做是有着高分散度的毛细 分散体系统。在这种情况下分散度d - - - h ，h 是薄膜的厚度，比如对于牛顿黑膜的厚 度仅有4 n m 。对于液膜系统有三种特殊的热力学参数：1 9 3 6 年首先由d e r j a g u i n 引入 的分散压，接触角和线张力。 包含胶束和纳米粒子的薄液膜是最近研究的一个热点。实验表明在非离子胶束溶 液的薄膜中胶束层的稀释是一个可逆过程。包含表面活性剂胶束或者其他纳米粒子的 薄液膜会形成泡沫、乳化剂和其他复杂乳化剂中的气泡和液滴。这些胶体分散体系的 流变学性质和稳定性在很大程度上受微观结构的影响，例如胶束( 或纳米粒子) 在限 制空间内( 薄膜表面之间) 的自我集聚性质对体系宏观性质有很大影响。一个世纪前， 人们观察到包含天然树脂和树胶的液膜表现出多层结构。近几年有报道指出在各种各 样的纳米胶体体系中液膜具有多层结构或者成层现象，相关体系包括胶束，微乳液， 蛋白质，乳液，二氧化硅离子，不带电聚合物微分子，聚合物高分子电解质。直到2 0 0 3 年s t u b e n r a u c h 和k i t z i n g 的文章的发表【2 】前，一直很少有关于独立的包含胶束( 不 包含任何的电解质) 【3 】或者固体纳米粒子薄膜的研究报道。最近t a y l o r l 4 1 等人的一篇 报道中指出使用薄液膜半衡技术可以得到在泡沫膜中氯化钠胶束溶液成层的数据，在 报道中作者也试图研究表面活性剂溶液的主体相行为与泡沫膜中层理现象的关联，他 们在薄膜中观察到多种的转变过程。作者发现当薄膜内层状的结构达到表面活性剂在 2 绪论 主体溶液重量的1 0 ，薄膜内就会有成层现象。这个现象与之前的模型相符合【5 6 7 l 。 然而，他们同时也指出只有在更高的浓度下液膜内才会出现层状液晶结构。 最近b s h e v a s l 等人测量了两种非离子型表面活性剂b r i j3 5 和t w e e n2 0 形成液膜 的接触角。从接触角的测量，他们确定了这些表面活性剂形成胶束的聚集数和体积分 数。同时他们还测得了分离压等温线，并制作了胶体稳定性图表1 9 1 。p e r e i r a 等人研 究了由非离子表面活性剂胶束溶液形成的悬浮液膜的稀释与稳定性i l o 】。n i k o l o v 和 w a s a n 使用了特殊设计的毛细玻璃比色槽制成了不同尺寸和毛细压( 或者分离压) 得 弯曲液膜i i z j 。最近几年表面活性剂或者高分子对泡沫和乳液稳定的研究渐渐被纳米粒 子所代替。s e t h u m a d h a v a n 等人的一系列论文中研究了没有任何表面活性物质存在的 情况下包含纳米粒子液膜的稳定性i l l - 1 4 。薄膜的尺寸，纳米离粒子的浓度，粒子大小 和多分散性对薄膜稀释与分层现象的影响在实验和理论研究上已经有所进展。主要的 研究结果有：( 1 ) 粒子大小的多分散性会减弱粒子的成层现象( 比如降低结构转变能垒) 和降低薄膜的稳定性；( 2 ) 存在临界薄膜尺寸，在薄膜中有一层粒子层并且薄膜是稳 定的；( 3 ) 薄膜的临界尺寸是随粒子浓度指数增加的。 最近也有一些包含胶束和纳米粒子的薄液膜的模拟研究。比如t r o k h y m c h u k 等人 使用了m o n t ec a r l o 方法模拟了带电纳米粒子的成层现象( 比如离子型胶团) 和内层 结构随膜厚变化的演变 1 5 , 1 6 1 。这个模拟使用的是单组分流体势模型，包含胶束核排斥 势，屏蔽的库仑静电势相互作用。他们的理论结果与之前实验上氯化钠十二烷基硫酸 盐胶束薄膜分层现象相吻合。并且他们的模拟结果还表明静电力会强化整个胶束的分 层，而体积排斥作用对于胶束形成层状结构以及胶束结构化是至关重要。 1 3 磷脂膜的国外研究动态 对于磷脂双层膜的结构和动力学研究很难通过直接实验手段获得，相反模拟研究 却方便的多。磷脂膜的模拟研究主要包括全原子【1 7 圳】和粗粒化两种模拟研究方法【2 2 2 3 1 。 在微观尺度上，分子动力学模拟可以提供大量关于磷脂和磷脂肽，磷脂和蛋白质 反应【2 蛔7 j 的结构和动力学性质。随着计算机技术的发展和分子模拟算法的不断改进， 磷脂膜的研究已经进入介观尺度。目前这方面的研究能观察到在长度上大于1 0 纳米， 时间尺度大于1 0 纳秒的的情况。双层膜分子模拟中自发的波动性的证据是l i n d a h l 和 e d h o l m 2 s 得到的双层膜的弯曲常数。这样的模拟对于评价限制尺寸效应和模拟时间对 双层膜系统的动力学性质影响至关重要。最近研究发现在很小的模拟体系中由于磷脂 膜的平衡面积太小而抑制了膜的波动1 2 9 , 3 0 j 。然而，这仅仅是一个方面。l i n d a h l 和 e d h o l m 【2 州的研究指出增加的波动可能会促进磷脂面积的压缩。另一方面，考虑作为 磷脂膜抑制波动的补偿的表面张力，f e l l e r 和p a s t o r t 3 1 】认为对于接近真实的模拟限定 北京化= 大学硕上学化论文 表面张力是必须的，但是t i e l e m a n 和b e r e n d s e n 3 2 l j | 1 0 持相反意见。接着m a n i n k 和 m a r k 使用g m o ( 运动与碰撞模型) 模拟方法得出尺寸增加波动会吏大，并_ 日压缩率 也增加；系统的尺寸在表面张力上的影响主要是体现存压力常数上。总之，关于磷脂 膜的动力学模拟结果始终有很多有争议的观点存在，同时膜波动的真实机理也需要进 一步研究。 1 4 热力学标度蒙塔卡罗方法的国外研究动态 最近，v a l l e a u 等人提出了热力学标度蒙塔卡罗方法( t h e r m o d y n a m i cs c a l i n gm o n t e c a r l o ，t d s m c ) 3 3 - 3 6 j 。4 i 同于基于玻尔兹曼分布的( m o n t ec a r l o ，m c ) 方法，t d s m c 通过一种伞形抽样，能够使模拟遍及一个温度或密度区域以及不同的哈密尔顿量，相 应的这种方法的变种包括温度标度蒙塔卡罗( t e m p e r a t u r es c a l i n gm o n t ec a r l o ，t s m c ) ， 哈密尔顿标度蒙塔卡罗( h a m i l t o n i a ns c a l i n gm o n t ec a r l o ，h s m c ) 署h 密度标度蒙塔卡罗 ( d e n s i t ys c a l i n gm o n t ec a r l o ，d s m c ) 。k e n i ik i y o u a r a 等人在19 9 6 年【37 j 将其推广到吉 布斯系综蒙塔卡罗方法( g i b b se n s e m b l em o n t ec a r l o ，g e m c ) ，提出了热力学标度g i b b s e n s e m b l e 方法( t d s g e ) ，它能够在一个模拟计算中覆盖一段温度和几个h a m i l t o n i a n 值【3 7 。3 9 1 。 本文在t d s g e 方法的基础上提出了一种模拟交互作用参数的方法，使一个模拟 计算中遍及一个交互作用参数范围。这种方法可以使我们比以前更轻松地去优化交互 作用参数，它在理论上是容易由t s g e 和t s m c 推广来，结果证明是可行的。采用 t d s m c 或t d s g e 方法需要面对一个难题是权重的确定。无论是热力学标度g i b b s e n s e m b l e 方法，还是在t s m c ，h s m c 和d s m c 方法，都存在不同状态权重的优化问 题。在以前的热力学标度方法中权重是通过迭代得到的，这种方法的缺点在于，不仅使 确定权重的计算量很大，而且会带来权重极大的不稳定性( 不确定性) ，正如 p a n g i o t o p o u l o s 等人指出的，p e 4 0 j 如何克服这个缺陷是改进这类方法的关键。在这里 我们提出了一种优化权重的方法，它的确定仅仅与一个参考态有关，能有效的解决权 重的优化问题。这种优化权重的方法小仅可应用于优化势能参数，同样可应用于别的 热力学标度方法。 1 5 分子模拟方法分类及应用 蒙塔卡罗( m o n t ec a r l o ，m c ) 方法和分子动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 是 分子模拟的两大基本方法，两者由于各自特点应用在4 同领域，都是应用非常广泛的 4 绪论 分子模拟方法。 二十世纪四十年代，为了解决一些常规数学方法4 能求解的数学、物理、化学， 工程技术以及生产管理等方面的复杂问题，基于概率统计的m o n t ec a r l o 模拟方法脱 颖而出，得到了极大的发展。m c 方法的基本思想：根据实际要解决的问题来建立概 率模型或者随机过程，设定它的参数就是问题的解，通过观察或抽样概率模型或随机 过程能计算出所求参数的统计特征，从而得到参数值的近似解，这样只要求得参数的 值就能得到问题的