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计算机分子模拟技术范文1
关键词：计算机辅助药物设计；药物设计；原理；应用
进入21世纪，现代科学和计算机技术的运用，不断改进药物发现的技术和方法；化学信息学和生物信息学，信息处理和转换的根本变革，分子生物学、细胞生物学、免疫学、遗传学、生物化学、药物化学、结构化学、药理化学、药理学的发展和交叉渗透，特别是与计算机科学的融合，产生了把计算机的模拟技术应用于新药的研究和开发的新型方法-计算机辅助药物设计。
1 在基于结构药物设计中的作用和意义
基于结构药物设计（SBDD）的基本出发点是针对药物作用靶点和药物分子的结构、功能及与药物作用方式，来设计作用专一、活性强、不良反应少的新药。计算机辅助药物设计将SBDD的思路以计算机方法加以实现，为药物设计提供了理论思维形象化的表达及强有力的基本工具和手段。
随着生物大分子结构测定和计算机技术的进步，SBDD得以快速发展，并且趋于定向化和合理化，减少了寻找新药的盲目性和偶然性，提高了药物设计的成功率，节省了新药开发工作的人力、物力和财力。
2 计算机辅助药物设计原理
随着理论计算技术、X射线晶体学、核磁共振等结构生物学测定技术的逐渐成熟，已经可以获得研究对象的三维结构信息。药物、生物大分子以及药物-生物大分子复合物的三维结构能以实验方法测得，也能以理论计算方法得到，并可以通过计算机模拟。计算机辅助药物设计用分子模拟软件分析受体大分子结合部位的结构性质，如静电场、疏水场、氢键作用位点分布等信息。考查配体小分子的化学结构特征，寻找和设计合理的药物分子，识别得到分子形状和理化性质与受体作用位点相匹配的分子，设计和优化并测试这些分子的生物活性，从而确定具有生物活性的目标化合物。经过多次循环，最终发现新的先导物。
3 利用计算机辅助药物设计原理进行虚拟筛选
发现全新结构的先导化合物是药物发现的目标，药物筛选是现代药物开发流程中检验和获取具有特定生理活性化合物的一个步骤，是指通过规范化的实验手段从大量化合物或者新化合物中选择对某一特定作用靶点具有较高活性的化合物的过程。随着计算机模拟技术的成熟，便产生了通过计算机的模拟手段进行虚拟筛选（virtual screening，VS）技术。虚拟筛选是针对重要疾病特定靶标生物大分子的三维结构或定量构效关系（QSAR）模型，从现有小分子数据库中，搜寻与靶标生物大分子结合或符合QSAR模型的化合物，进行实验筛选研究。虚拟筛选是将药物筛选过程在计算机上模拟，从上百万个分子中，发现有潜在的化合物，对化合物可能的活性作出预测，进而对有可能成为药物的化合物进行有针对性的实体筛选。虚拟筛选的对象是化合物数据库，这个数据是虚拟化的，避免了传统实验筛选带来的财力、精力、时间上的消耗，大大降低实验筛选化合物数量，缩小了药物研发的周期和投入，减少了药物开发成本。同时，在筛选过程中考虑化合物分子的药动力学性质和毒性等，使筛选具有更高的内涵。虚拟筛选被应用于药物活性化合物的发现及并行算法，实现了虚拟筛选的高通量化，进而对比较有可能成为药物的化合物进行有针对性的实体筛选。虚拟筛选技术已经成为当今药物研发的重要手段。
4 分子模拟（molecular modeling）
利用计算机图形学进行分子模拟的技术称为计算机分子模拟，简称分子模拟。通过分子模拟，可以进行直观、可视化的药物设计；通过对分子形状和方位进行运动操作，可观察药物与靶点的相互作用，判断靶点分子可能的结合位点，还能对药物分子进行整修，提出改善药物的药效学和动力学性质的改良方案。
5 计算机辅助药物设计的意义
计算机辅助药物设计作为分析工具（“数据挖掘”）和新想法的来源（“理性”分子设计），为药物发现提供了重要的依据和支撑；这种设计方式完全是在计算机上通过软件进行模拟计算，成为药物发现的新途径；完全打破传统的药物发现和设计依赖于大量的实验筛选、并行的化学合成的方式；计算机辅助药物设计的引入对整个研发过程都有一定的“辅助”作用，甚至成为推动药物研发或者决定药物研发成败的关键因素和主要途径。
6 计算机辅助药物设计的思路
作为探索新药开发的高效研究方法和有效的技术手段，计算机辅助药物设计通过虚拟筛选与分子对接技术，揭示药物与机体靶标的作用机制，探索药物靶点的空间结构，最终目标是设计具有显著生物活性的药物分子。即所设计分子能选择性地与某一靶标结合，或者能同时对多个靶标进行预期的活性的调节作用。
7 计算机辅助药物设计研究的方向
围绕药物研究的两大对象“药物和受体”，自20世纪80年代起，“计算机辅助药物设计”相关领域得到迅速发展，各种算法软件日新月异。根据受体是否已知和活性数据是否定量，所有研究均可以归属于虚拟小分子生成、大分子结构预测、定量构效关系、药效团模型、分子对接、全新药物设计和动态模拟（分子动力学/随机动力学/蒙特卡洛）等七大研究方向。
在虚拟筛选时，需要产生大量的候选分子，这个需求导致产生了“虚拟小分子生成”研究领域；受实验测定的限制，大量的受体结构信息需要利用计算机模拟的方法得到，这就催生了“大分子结构预测”研究领域；早期受体结构信息缺乏，但是围绕着同一受体或者疾病已经获得多个小分子活性信息，根据该活性信息是否为定量信息，分别发展出“定量的构效关系”和半定量的“药效团模型”两个研究领域；随着近年来受体结构信息逐渐增多，诞生了“分子对接”技术；与此同时，随着片断组织学及前面几个“计算机辅助药物设计”技术的成熟发展及改进，催生了“全新药物设计”技术；动态模拟（分子动力学/随机动力学/蒙特卡洛）是非常特殊的技术，尽管该方法不能直接判断出某分子是否为药物候选分子，但是在前面六个技术中需要都会用到该方法，特别是在含有大分子结构时，它是对整个分子体系进行优化使其达到某个“合理结构”状态不或缺的方法。
计算机辅助药物设计以其特有的高效便捷等特点，为药物设计提供新的思路和创新途径；为药物靶点的发现提供技术保障；也为先导化合物的优化和生物学验证提供了理论指导。通过药物设计软件可以从理论深度解释实验结果、验证实验数据的可靠性、得到实验无法得到的微观数据，并根据研究结论做出最佳决策，使药物发现更经济有效；增强对科学研究的深度，从而提高科研和论述水平；通过模拟计算、指导实验，避免实验的盲目性，从而节省实验经费的投入，并缩短研究周期。
参考文献
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计算机分子模拟技术范文2
卢本卓就是这样一名科研人，一名不断寻求生命最大效能的科研工作者。
一项成果引关注
从计算机模拟第一次尝试介入解决分子生物学的问题开始算起，至今已经有大概三分之一个世纪了，学术界对它的浓厚兴趣和重视程度依然有增无减。毕竟，生物的复杂度要远远超过单一的自然现象，而用笔来计算生物学中的规律，常常是难以想象的（这也是19世纪末20世纪初理论物理和如今“理论生物学”的显著区别之一）。
同时，由于生物系统的复杂结构及多尺度多物理过程的特点，这就决定了数学在生物学中的介入，主要是以数值计算和模拟为主。就像现代交通技术中用摄像头监视记录大街上忙碌穿梭的车流，然后后台用电脑分析庞大的细节路况信息一样，分子模拟也用计算机来观察和分析生命活动在极小尺度一原子分子一上的活动轨迹。这些众多的原子、分子就像街道上的车辆。但不同的是生物分子内的任意一个原子都与所有其它原子有相互作用，正是这些相互作用使生物分子形成一个有机整体。计算这些巨大数目的相互作用是耗费计算机心力－CPU－的最主要任务。实际上，一个普通分子生物学问题的模拟研究里的计算量就可以大得足以让当前国际上最强大的超级计算机也难以承受。这也是计算机模拟科学家们要攻克的一个难关。
2010年6月，一项研究成果“自适应快速多极矩Poisson-Boltzmann方程求解程序”软件包（AFMPB）的beta版本。这一工作总结了卢本卓近年来在生物分子静电相互作用计算研究中丰富和发展了的边界元方法，并首次实现了与自适应新版快速多极矩的结合，在单CPU计算上计算大分子静电取得最快的加速效果，这也代表了近年来国际上在边界元方法计算PB静电方面的最新进展。
卢本卓介绍这一进展和软件的文章“AFMPB：An Adaptive Fast Multipole Poisson-Boltzmann Solver for Calculating Electrostatics in Biomolecular Systems”刊登在了Computer Physics Communication杂志上。
对卢本卓及其同事发展的自适应快速多极矩边界元求解PB方程的一整套方法及其开源软件程序包AFMPB，分子静电领域权威专家、国际计算科学与发现杂志主编、美国西北太平洋国家实验室Nathan Baker教授在Faculty of 1000 Biology上这样推荐和点评他们的工作：“文章描述了一组用于生物分子计算的激动人心的、崭新的方法和软件。作者提供了一个多极矩加速的边界元方法，对一大类隐式溶剂的生物分子模拟、包括蛋白一蛋白相互作用、扩散结合、拥挤溶液模拟等显示出了巨大的前景”。
Faculty of 1000 Biology是一个生物领域著名的在线科研评价系统，该机构专家每年对全球SCI文章总数不足千分之二的优秀精品生命科学和医学论文进行推荐和点评，并赋予“F1000论文”称号向科学界推荐。
另外，最近瑞典斯德哥尔摩大学Erik Lindahl教授也在他的“分子动力学模拟算法进展”的综述文章中用了一段话来评述卢本卓和他的合作者们在使用快速多极矩方法加速PB求解、改善内存需要、及应用于大分子的情形，并展望了它在并行化和处理非周期系统的优势。
对于这一引起广泛关注的成果，卢本卓表示，连续模型是分子模拟中广泛采用的用来克服全原子模拟的时间空间尺度限制的方法，但其模型的准确性和数值计算上的困难也是连续模型方法长期面临的一个挑战，其应用范围受到很大限制。而卢本卓他们在分子静电、电扩散及电弹性等方面的工作为实现高效有效的连续模型模拟提供了一系列核心技术、方法与工具，包括模型建立、有效的数值计算方法及其所需的分子网格的产生等，将有力促进有关方法的发展，拓展其应用范围。
两个方向显前景
科研是艰苦的，艰苦到局外人难以感同身受；科研是孤独的，孤独到没有故事可讲。十几年的科研岁月里，卢本卓就像他研究的那些肉眼看不见的微小的生物分子，在飞速地跳跃和运动着，唯有在显微镜下，才能看到它们有多么美，多么热烈！
2002年，卢本卓获得了中国科技大学生物化学与分子生物学的博士学位，之后于2003年赴美深造，先后在加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学系及美国著名的非营利性医学研究所――霍华德休斯医学研究所做博士后研究。
2008年，卢本卓作为“百人计划”海外优秀人才引进到中科院数学与系统科学研究院工作。除了在生物分子静电计算的研究中取得了进展，一直从事计算生物／计算化学这一高度交叉的新兴学科研究的他，也正在以下方面取得一些有国际影响的成果：
1、在电扩散反应的连续模型、数值计算及其应用实践上取得了一些领先的或探索性的结果。完全用有限元方法实现了数值求解Poisson-Nernst-Planck（PNP）耦合方程组，成为目前国际上建立了用连续模型实时实形（生物分子）研究分子水平上的电扩散反应过程的完整工具链的少数小组之一。有关在J Comput Phys等国际一流杂志上。数值工作受到put.Phys上的评论：“这些耦合方程的解对数值求解是一个巨大的挑战最近卢等人提出一个有限元／边界元杂交的方法求解了电扩散的PNP方程组。”
而他所做的关于有限元求解PNP的工作也受到审稿人的评价“文章介绍了鼓舞人心的通过求解PNP方程来模拟分子扩散反应的方法”，“文章解决的问题在应用上是重要的，从数学和计算的角度也是吸引人的”，“数值计算令人印象深刻”等。
另外，作为一个应用，卢本卓及其同事将PNP模型用于研究带电底物浓度对其扩散反应动力学的影响，通过精致的计算方法，预测了若干新的物理化学效应。
2、与合作者发展了用表面求迹法对生物分子的Gaussian Surface生成表面网格的新方法及其应用软件TMSmesh。据作者了解，这为该领域能对百万原子量级的生物分子稳定生成高质量表面网格的唯一软件，其计算的病毒分子比通常程序能处理的分子大一个量级以上。该工作在一定程度上克服了生物大分子表面产生的一个瓶颈问题，扫除了生物大分子数学模拟中的一个障碍。
而这项工作的研究价值和科学意义就在于，生物大分子的表面网格产生一直是一个公共难题。分子网格不仅在传统的分子可视化、化学信息学、分子模拟等有重要的作用，而且在近年来兴起的分子系统的数学模拟中也成为一个必需的要素。但传统的分子网格生成方法和工具主要是为可视化和结构计算服务的，其质量不能满足数学模拟方法，如有限元和边界元模拟的要求。另外，此前已有的程序在处理大体系的表面和立体网格时都有困难，这造成了目前对大分子体系进行数值模拟的一个瓶颈。这项工作一定程度上扫除了表面网格产生的障碍，同时为有限元模拟所需的整个分子立体网格的产生提供了一个很有希望的基础，这也是他们下一步的工作目标。
潜心向学不放松
如今的卢本卓，正在走着一条教学科研相结合的道路。自从踏上了这条道路，他年轻时候骑车远行、登山旅游、挥汗击球的时光大多便只能成为记忆了。早上坐一小时地铁上班，晚上7点后回家，成了卢本卓每日生活的写照。矢志不渝，潜心向学，已届不惑之年的卢本卓，正在这一个个忙碌的日子里，书写着无怨无悔的人生。
对于未来，卢本卓表示，计算将成为研究复杂生命现象的必需的、最基本的工具和方法之一。生物分子的计算与模拟研究30年来发展迅速，然而远未臻于成熟，在真实分子生物过程及药物设计研究上的应用和预测能力还相当有限。尤其是在处理具有多尺度特征的生物过程时所需要的大量采样对计算提出极高的要求，目前仍然是一个困难，这大大限制了当前计算生物科学的可预测性。为克服这一困难，国际上展开了大量的研究工作，遍及计算机技术、生物物理模型和计算模拟方法等方面。
基于这样的学术背景，他本人拟开展的研究项目之一是建立一套完整的“离子通道模拟器”，以解决与之相关的一系列计算模拟方法和软件实现的问题。
在众多生物学问题中，卢本卓及其同事选择比较有代表性的也极具挑战性的离子通道来作为研究体系。原因是生物膜上的离子通道是细胞进行新陈代谢与周围环境进行物质交换的重要途径，其结构和功能正常是维持生命过程的基础，其基因变异和功能障碍与许多疾病的发生和发展有关。作为分子生物学里最集中的阵地之一，离子通道在生物学研究里有着不可抗拒的吸引力，因为他们是“生命的纳米阀门”，就像晶体管控制计算机一样。离子通道的一个最突出特征是离子通透的选择性，既一种离子通道通常只允许某种特定的离子或无机小分子通过。通道内包含着拥挤的带电粒子球、固定的和可移动的电荷，以及诱导极化电荷。在原子水平上直接模拟离子通道行为是相当困难的，或者就几乎不可能。在分子生物系统间的时间、体积和浓度的尺度间隙可分别达到1012。所有的尺度间隙必须同时处理，因为生物在一瞬间同时处理了所有的尺度。
结构生物学家一直希望理论计算科学家们把计算建立在具有特异性的三维分子结构基础之上，而不是抽象和简化了的模型上。卢本卓他们仍将采用连续溶剂模型方法来处理整个膜和离子通道的多尺度多物理系统，建立一个原子分子水平上的“离子通道模拟器”的实用软件包。由于技术和模型上的原因，目前国际上这方面的公用软件工具还很缺乏。
计算机分子模拟技术范文3
ChemOffice全称CambridgeSoftChemOffice是由美国剑桥软件公司研究和开发的一款化学专业应用软件。变得更加便捷。化学应用处理软件ChemOffice由ChemDraw、ChemFinder和Chem3D三个模块组成。ChemDraw模块是化学结构绘图软件，也是现在各论文期刊指定的格式；Chem3D模块是分子模拟分析绘图模块，通常用它来计算分子轨道的形状、分子表面积、显示分子轨道，描绘化合物的结构；ChemFinder模块是化学信息搜寻整合系统，用来建立化学数据库、储存数据及搜索化学数据库。ChemOffice软件是针对专业化学绘图设计，可以绘制各式各样的化学键、环、轨道等，可以与软件中的数据库链接，可以查出结构式；也可以将化合物名称直接转为结构图，省去绘图的繁琐；还可以对已知结构的化合物命名，给出正确的化合物名称。也可以利用此软件所提供的样板功能，大幅缩短制作文件所需的时间。
二、ChemOffice软件有助于化学教学
（一）化学教学的主要辅助手段
随着计算机多媒体技术的普及和现代化学应用软件的开发，现在化学教育的授课方式已经告别了一盒粉笔、一块黑板的传统教学，现代化的教学辅助手段使越来越多的老师都体会到了用化学工具软件来制作课件辅助教学的优越性。ChemOffice软件在化学教学中可以优化教学设计，使原本枯燥的课堂变得生动起来。主要体现在以下几点：
1.直观、可视性
在化学教学中，关于化合物结构的讲解一直是授课的一个重点，也是学生理解的一个难点。ChemOffice软件不仅可以绘图，还可以将化合物的结构立体化。这样教师在备课的过程中不但不用准备模型，而且在授课过程中还可以根据需要随时将平面图和立体图进行转换，提高教学效率，能取得良好的教学效果。例如苯乙烯的结构式如图1。利用ChemDraw模块建立分子结构式后，再利用Chem3D模块可以将转化为三维图形如图2。三维图形可以动态旋转向学生展示不同方向的立体构象，便于学生直观的理解。对于结构复杂的有机大分子，比如葡萄糖、纤维素、环糊精等，都可以采用ChemOffice软件进行模拟展示，一看便知，易于理解。
2.有助于探究式教学
如何做好探究式教学，从20世纪中期开始就一直是国内外教育科学领域中的一个研究重点课题。探究式教学使学生不再被动地接受知识，提高学生的学习兴趣和主动性。化学应用软件ChemOffice有助于探究式教学的开展。例如有机化合物命名的学习。在学习过程中，部分学生对于命名规则还是理解不透彻。ChemOffice软件的命名功能，可以帮助学生理解深入。利用ChemOffice化学工具软件中的ChemDraw模块在课堂上演示，绘制出化学结构式，单击结构（Structure）菜单中的结构式转化为名称（ConvertStructuretoName），可以实现对结构式进行自动命名。同时，ChemOffice可以将化合物的系统名称直接转为化学结构式，输入名称转化为结构式（ConvertNametoStructure）的命令后，输入化学名称，系统会找到对应的结构置于绘图中。通过这两个功能，学生能扎实的理解掌握结构复杂的化合物命名规则。对于陌生名称也能查到结构式，理解能更深入彻底。利用ChemOffice软件还可以锻炼学生的波谱解析能力，例如，利用ChemDraw模块可预测一些化合物的1H-NMR和13C-NMR谱。原理是以选取的分子基本结构为基础，利用加和性原则来计算氢原子和碳原子的化学位移。在课堂上教师也可以通过图谱模拟功能，直接演示各种化学物质的氢谱和碳谱，省去具体实验的繁琐。
3.使复杂计算简单化，适用于高等教育
ChemOffice软件不仅可以应用于初高中、大学本科的化学课程教学中，对于高等学校的硕博士研究生的研究型教育也非常适用。例如，ChemOffice软件中的Chem3D模块具备强大的计算功能。计算范围包括键长、键角、二面角、分子间距离、分子所在空间的基本计算。还能结合MM2、MOPAC、Gaussian等程序进行分子力学和量子力学的计算，甚至对分子进行动力学模拟、化合物构象分析和过渡态能量优化。例如，可以通过ComputeProperties计算的出复杂反应，中间过渡态产物的一系列性质，从计算结果中可以得到偶极、动能、势能、极化率、总能等一系列性质参数。ChemOffice软件对于培养研究型的高等化学人才有着重要的意义。
（二）增强学生学习主动性和师生间的互动
课堂教学的过程是老师和学生互动的过程，但在很多情况下，学生由于缺乏学习的主动性，导致学生学习的积极主动性降低，学习兴趣下降。ChemOffice化学应用软件可以创设情景教学，有助于培养学生的学习兴趣，教学效果事半功倍。例如，可以利用ChemOf-fice软件中的ChemDraw模块，模拟化学实验，自主设计实验方案、实验过程，根据实验流程要求，让学生自己动手，根据实验要求找出需要的化学仪器（例如图3），进行拼接，绘制实验反应装置图（例如图4），教师只给予适当的指导和提示，学生的积极参与，加强了师生交流，活跃了课堂气氛。学生体会到学会的知识是自己发现出来的，不是别人硬塞进来的。这种可以通过自己的探索和思考而获得知识的教学手段，有利于学生思维的开发，学生在探索中学习体会到乐趣和成果后，将会更主动的学习，同时也能减轻教师负担，提高教学效率。
（三）有助于促进计算机和化学专业外语的学习
对于高校的学生，采用ChemOffice软件进行教学是实践开展双语教学模式最为理想的教学材料。ChemOffice软件是由美国剑桥公司开发的外文软件，各个模块中所有的命令、模块说明等都是使用纯正、地道的英文。学生在使用这款软件的过程，也是学习相关计算机和化学专业地道英语的一个过程。通过计算机演示等有关化学教学内容的渗透，传授相关化学知识，利用软件进行动态演示解决化学问题，揭示化学机理等，或是利用化学工具软件进行自主学习。
三、结语
计算机分子模拟技术范文4
关键词：模拟 结构重构 晶体结构 材料化学 材料科学课程
Practice of Materials Studio （MS） modeling and structural rebuilding in crystal structure teaching
Xu Yong1，2， Wang Zhigang1， Liu Kegao1， Wang Xianzhong1， Shi Lei1， Wang Fuming2， Lin Junpin2
1.Shandong jianzhu university， Jinan， 250101， China 2. University of science and technology Beijing， Beijing， 100083， China
Abstract： Modeling and structural rebuilding of crystal structure in materials chemistry and materials science curriculum was practiced and applied to keep it simple and understandable by using MS. The unit cells and atomic configurations are produced to show the theory system of geometry description of crystal structure. Several examples， as diamond， graphite， nanomaterial and advanced carbon materials， are employed to describe the main application of MS in materials chemistry and materials science teaching. According to these atomic modeling configurations， crystal structures exhibit a clearly and understandable appearance for us. So， the meaning of learning and understanding the related parameters of geometry description of crystal structure was explored with the point which helped students to realize and master the abstract concepts of crystal structure.
Key words： modeling； structural rebuilding； crystal structure； materials chemistry； materials science curriculum
材料的结构，特别是晶体结构，是材料化学和材料科学课程中的重要内容，是理解材料物理、化学性质的基础，因此在教学内容中具有非常重要的作用[1-3]。然而，与晶体结构相关的一些概念和理论大多源于数学理论体系，如空间群、对称性和Wyckoff占位等，与几何对称有着密切的联系，因此其理论体系非常抽象和难以理解[4]，需要学生具有很强的基础理论功底和空间想象能力，但在现实教育教学中，学生往往很难具备如此深厚的理论基础和理解能力，因此给课堂教学带来很大的困难，这是目前材料化学和材料科学课程教学中的一个难题[5]。而要理解和掌握相关的晶体结构知识需要学生付出非常多的时间去学习和训练，给学生带来很重的学习负担和压力[6，7]。因此，开发和建立一种全新的可视化空间构型，将原子在三维空间中的分布明确地表达出来，是非常重要也是非常必要的，以此促进学生对真实晶体结构的深入理解和掌握[4，8]。通常有两种方法可建立原子构型[4]，第一种是通过使用金属或者塑料球，手工制作原子模型，这种方法适于建立简单、易于构造的晶体结构，对于复杂、难以构造的晶体结构，往往要浪费大量的时间来制作，且很难运输和使用，因此在实际教学中难以得到推广。在此情况下，我们往往选择第二种方法，即通过三维电子图像和动画对象的方法，将计算机软件引入课程教学中。在材料科学领域中，MS（Materials Studio）是一个著名的晶体结构构造和模拟专业软件[8]，大大提高了计算材料科学的可操作性[9-11]。MS给化学家、材料学家和工程技术人员提供了一个灵活、简单可行的工作环境和强大工具，它可以轻松直观地展示材料的结构和性能，并能解决化学和材料学领域中的一些极端问题。通过MS建立多个原子构型（复杂的碳的同素异构体结构）解决晶体结构及与对称性和晶体学相关理论问题，以此实现MS在晶体结构中的应用，促进学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
1 MS软件介绍[12]
MS Modeling软件是由Accelrys?公司开发的一款具有灵活操作环境的材料科学领域专业软件，拥有世界上最先进的材料学模拟和构型技术，可以轻松构建出分子结构、晶体结构和各种复杂原子构型，通过高分辨的精细图像技术显示出来，并通过标准计算机工具箱进行控制操作和人机互动。Accelrys?公司开发了MS软件，涵盖了包括量子力学、分子力学、介观模拟、分析仪器仿真和统计相关等多个领域的理论知识，并将它们综合在一个简单易用的模拟环境下，通过构造结构构型和可视化等处理，对相关科学数据加以描述和表达。
笔者采用MS可视化共享软件Materials Studio Visualizer （version 4.0）对晶体结构进行模拟和重构，此软件允许研究者对分子模型、晶体结构、表面、高分子和介观结构进行修改、重建和多角度观察。Materials Studio Visualizer同时包含一系列计算工具，如量子化、原子化、介观化和统计化等，可以实现对材料进行不同粒子尺寸和时间范围内的评估计算。另外，还包括对晶体结构和晶体生长方面的计算和评估。
2 原子构型建立过程
在已知晶体结构信息条件下，在MS中可以采用多种方法建立原子的构型。晶体结构的信息可以通过查找文献（如Acta Crystallographica）获得，也可以通过晶体结构数据库（如Inorganic Crystal Structure Database，ICSD）软件进行查询。通过这些文献或数据库软件，可以得到相关的晶体结构数据文件（如.cif文件），并直接导入MS软件中获得原子结构图。另外一种方法则是直接在MS中调用已知的一些原子结构，但往往这些结构的种类比较少，很难达到我们的要求。因此，一般情况下，需要工作人员手工查询相关的结构参数信息，然后根据MS命令构建原子构型和晶体结构。
MS中构建晶体结构一般需要如下信息：
晶格常数，如a，b，c，α，β，γ；
晶体结构所属空间群，或者空间群号；
晶胞中的原子占位，如原子类型及相关的坐标x，y，z。
选用碳的同素异构体作为研究对象，研究MS构型建立的过程，主要包括金刚石、石墨、碳纳米管和富勒烯几种结构类型。笔者以金刚石晶体结构建立过程为实例，其构型建立过程如下：
首先，获取金刚石的相关结构参数信息（见表1）。打开MS软件，在菜单栏中找到Build命令，通过Build Crystal命令打开一个相关的晶胞构建对话框，手工将结构参数输入相应的位置，如通过空间群号获得相应的空间群类型，并输入晶格常数，最后得到一个相应的不包含原子的空间图框。建立空间图框后就可以在空间中添加相应的原子。在本例中，仅需要添加一种原子类型（碳原子）即可，但对于多原子种类的合金来说，需要添加不同类型的原子，但基本操作过程是一样的，所以本文不再赘述。添加原子时，需要根据对称条件，对不同对称位置上的原子进行多次添加，如果仅有一种原子占位类型，则添加一次原子即可，如所选示例的金刚石结构。在添加原子的对话框中需要添加原子的位置（x，y，z）和占位比例（SOF）。完成添加后即可得到相应的晶体结构示意图，如图1所示，展示了一个完美的金刚石球棍模型图。采用相同的构建方法，可以获得其他碳的同素异构体的相关原子结构，甚至很复杂的结构也可以得到完整的描述，如富勒烯和碳纳米管的结构（如图2所示）。对于富勒烯，通常只是了解其类似于足球的一种结构特征，但一般情况下很难想象其在空间中的其他分布规律，但通过构建原子模型，可以很容易地看到，这些足球状的富勒烯原子团，又在空间上形成了一个大的面心立方结构，如图2a所示，大大提高了结构特征的表述能力。因此，通过结构模型重建可以简单易懂地对相关结构特征和规律进行描述，能够极大地提高学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
表1 金刚石结构的相关信息[13]
图1 金刚石原子结构图
a富勒烯结构模型 b碳纳米管的原子结构模型
图2
除了构建原子模型之外，MS还可以对原子构型进行多视角观察和改变原子表现形式等操作，如图3所示。图3a给出了石墨原子构型的侧视图，可以看出原子呈层状排列，每一层原子以六边形的形式密排在一起（可以用不同颜色进行标识）。而图3b则展示了石墨原子结构的俯视图（沿c轴），可以清晰地看到每一个原子层的原子排列规律以及原子层的堆垛顺序类型等信息。由此看出，可以通过改变模型视角来分析不同结构原子面的原子分布规律和堆垛类型等深层次的结构信息，而且简单明了、清晰易懂，有利于学生深入理解晶体结构的取向、对称性等方面的基础理论信息。
a侧视图 b俯视图（沿0001面）
图3 石墨的原子结构模型
3 结束语
通过以上分析可知，可以在MS中直接构建晶体结构模型，包括复杂的晶体结构。对这些重建的晶胞结构可以很简单的进行编辑和优化，并在三维空间中进行多视角观察和分析，在很大程度上再现了晶体结构的真实图像，大大提高了学生对晶体结构的理解和对相关结构信息与规律的有效掌握，优化了晶体结构的教学效果。
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计算机分子模拟技术范文5
【关链词】计算机发展趋势 新型计算机
一、 前言
计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。自从1944年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机技术迅猛发展，传统计算机的性能受到挑战，开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口，新型计算机的研发应运而生。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力，使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命，对人类社会的发展产生深远的影响。
二、智能化的超级计算机
超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器(机)组成，能完成普通计算机和服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果，能推动各个领域高精尖项目的研究与开发，为我们的日常生活带来各种各样的好处。最大的超级计算机接近于复制人类大脑的能力，具备更多的智能成份.方便人们的生活、学习和工作。世界上最受欢迎的动画片、很多耗巨资拍摄的电影中，使用的特技效果都是在超级计算机上完成的。日本、美国、以色列、中国和印度首先成为世界上拥有每秒运算1万亿次的超级计算机的国家，超级计算机已在科技界内引起开发与创新狂潮。
三、新型高性能计算机问世
硅芯片技术高速发展的同时，也意味看硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。
1.量子计算机
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态.使信息沿着聚合物移动.从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此，一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前计算机的Pentium DI晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。
无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错等。量子计算机使计算的概念焕然一新。
2.光子计算机
光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、传翰和存储。光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。
3.分子计算机
分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高，分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进人实用阶段。
4.纳米计算机
纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。美国正在研制一种连接纳米管的方法，用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件，发挥电子开关、放大和晶体管的功能。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。
我们相信，新型计算机与相关技术的研发和应用，是二十一世纪科技领域的重大创新，必将推进全球经济社会高速发展，实现人类发展史上的重大突破。科学在发展，人类在进步，历史上的新生事物都要经过一个从无到有的艰难历程，随着一代又一代科学家们的不断努力，未来的计算机一定会是更加方便人们的工作、学习、生活的好伴侣。
参考文献：
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计算机分子模拟技术范文6
【关键词】技术 课堂 提高 增强 激发 突破
当前，教育技术飞速发展，化学模型、实物、化学实验等常规化学教学媒体以及多媒体计算机、录象、投影等现代教学媒体都广泛应用于化学教学。现代技术不仅能把文字、图像、音像、动画传播媒体集于一体，并赋予教与学信息传播的交互功能，而且应用计算机网络还能跨越时空来共享教学资源，使教师和学生能随时随地获取各种化学知识，提高教学资源的利用率。因此运用现代技术开展教学，是现代教育的一个重要发展趋势，用它来辅助化学教学，能使教者潇洒自如，学者轻松愉快，进而全面提高课堂教学的有效性。
一、 运用现代技术，有效激发学生学习兴趣
在化学课上，若能恰当地利用投影、幻灯、录象或计算机等媒体，可以充分激发学生的学习兴趣和求知欲望，发挥寓教于乐的学习优势，使学习变得轻松愉快，会收到很好的教学效果。例如，在讲到原子结构时可以用不同颜色、不同大小的小球分别代表原子核和核外的电子，然后制成动画，摸拟原子核外电子的运动，也可以用不同的颜色、不同大小的小球分别代表原子和最外层电子模拟离子化合物或共价化合物的形成过程，通过闪烁的方式及叠加的手段展示电子云的特征。这样通过多媒体的辅助就可以使抽象的东西形象化，使静态的理论动态化，从而化难为易，便于学生掌握，使学生有兴趣学。
二、 运用现代技术，有效突破课堂教学难点
中学化学教学中运用电脑多媒体技术，可对不同的化学内容进行模拟防真、创设情景，即所谓化不可见为可见、化静太为动态、化抽象为直观、化复杂多变为简洁明了，极大地增强了中学化学课堂教学的表现力。具体如下四点：
1、化不可见为可见
一些难以实现的实验，如CO中毒实验，干冰降雨，氢气与空气混合气体的爆炸实验等；错误实验操作的后果，如水倒入浓硫酸中、撤掉制取氧气的装置时先撤去酒精灯，等等。这些实验在传统教学中只能靠教师口头讲解，学生凭空想象，现在则可利用相应的多媒体课件来演示，让学生直观、生动、形象地了解到这些知识，加深学生对这些知识的理解，同时也提高了学生的学习兴趣。
2、化静态为动态
计算机的模拟功能可使抽象内容形象化，而且可使静此内容动感化，为学生创造生动、活拨、直观、有趣的教学条件。比如在水的净化生产过程、化肥的生产和利用、工业制取硫酸、炼铁、炼钢等化工生产过程的教学时，可选用或制作相应的课件来辅助教学，利用课件将分散、孤立的设备连接成完整的系统的设备，将静态的生产流程变为动态的生产流程。可见，通过视频剪辑或动画模拟防真各物质的工业生产流程，可以在课堂上提供直观、形象、生动的教学，体现出传统教学无法比拟的优势。
3、变抽象为形象
化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及变化应用的一门自然科学，其概念及原理大多较为抽象。物质的微观结构既看不见，有摸不着，且化学变化又是在原子的基础上重新组合的结果。因此单靠语言和文字等传统的教学手段描述，学生较难理解和掌握。通过计算机软件进行动画模拟，能生动形象地表现分子、原子等微观粒子的运动特征，变抽象为形象，让学生直观形象地认识微观世界，更容易了解化学变化的实质，理解化学原理。比如一些典型分子的分解--氧化汞分子的分解、水分子的分解等，在以往的教学中这些分子的分解只能用简单的球棒模型或靠学生的想象来理解。今天化学教师则可选用或设计相应的多媒体课件来演示这些分子的空间构型，解剖分子的内部结构，使学生能从多个角度仔细观察、充分比较各类分子的结构特征，深化学生对这些抽象的分子知识的认识和理解，从而大大地提高了课堂教学质量，吸引学生的兴趣。
三、 运用现代技术，有效提高实验教学效果
演示实验是化学课堂教学非常重要的一个环节，演示实验的成功与否将直接影响教学进度和教学效果。目前，做化学演示实验所用的仪器多为试管，一个明显的实验现象，不能保证每个学生都能观察清楚，时间长了，学生就失去了学习的兴趣。传统的方法是教师在前面做，学生在下面观察，前排的学生还能勉强看到，但后排的学生几乎看不清楚，以至使学生失去对实验的兴趣，产生厌烦情绪。若把这些实验用投影仪放大或进行实物投影，即能让学生清楚地看到实验的全部过程，又利用学生"好奇"的心理，激发其学习的积极性。还有一些实验，无法在课堂直接演示，学起来比较抽象，学生既要理解课本中的文字说明，又要发挥想象，有时也不易弄清反应的原理，但利用多媒体开发软件，将这些抽象复杂不易弄清的内容制成课件，在短时间内从多个角度、多层面进行展示，就会使知识由抽象变成形象，使学生易懂易掌握。
作为一名中学化学教师，培养增强信息技术素养的目的在于能充分利用教育信息资源并将它与化学教学有机运用，即将教育信息技术应用到学科教学中，利用信息技术对学科教学的内容、方法、手段和管理等方式进行改革，开发和组织新的教学模式。在新课程背景和信息技术环境下，教师不仅是学生意义建构的促进者、课程的开发者、信息资源的设计者和查询者，更是学生学习的引导者和帮助者。教师是一个研究者，更是一个终生学习者。因此，在课堂教学中，教师必须把现代技术和其它手段相结合，精心设计每一堂课，把现代技术的长处与教师在传统课堂教学中的长处相结合，充分实现教学的完美。
参考文献
[1]张雨春.如何培养教师的信息技术素养[J].上海教育2001，（14）：21-23
