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界面水分子扩散对超高分子量聚乙烯摩擦学性能影响的反应分子动力学模拟研究

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高分子学报 2024年第2期55卷 222-234页

作者：郑庭谷靖萱程启昊张会臣大连海事大学船舶与海洋工程学院大连116026

采用基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,研究了摩擦界面水分子向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体扩散和渗透的基本过程.分子模拟结果表明:摩擦过程中,水分子稳定吸附在Fe板表面,并与聚乙烯链形成分子内摩擦,使聚乙烯分子产生剪切... 详细信息

采用基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,研究了摩擦界面水分子向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体扩散和渗透的基本过程.分子模拟结果表明:摩擦过程中,水分子稳定吸附在Fe板表面,并与聚乙烯链形成分子内摩擦,使聚乙烯分子产生剪切变形.当Fe板表面存在纳尺度外凸结构时,其在UHMWPE表面的耕犁作用更为显著,使摩擦界面的内摩擦力显著增加.当摩擦速度增加时,摩擦界面原子温度显著升高.在水润滑条件下,界面水分子逐渐扩散到UHMWPE基体中,引起相邻聚乙烯链之间的原子距离增加,这导致聚乙烯链之间的相互作用强度降低.此外,摩擦界面处还伴随着水分子中氢氧键断裂,并引起相应原子的电荷跃变.此时,水氧原子与Fe原子形成Fe―O化合物,且具有与Fe2O3相似的晶体结构.水分子扩散进入UHMWPE内时,还引起其周围聚乙烯分子的电荷发生改变,造成UHMWPE表层原子电荷分布不均匀.

关键词：反应分子动力学模拟超高分子量聚乙烯水分子扩散分子键断裂电荷转移

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蒽热生焦初期的反应分子动力学模拟

石油学报（石油加工） 2020年第5期36卷 978-987页

作者：杨海洋任强范启明周涵王丽新中国石化石油化工科学研究院北京100083

采用反应分子动力学模拟方法ReaxFF模拟蒽热生焦初期的反应过程,推测得到蒽缩合生成四聚体可能的反应途径。蒽在热生焦初期,首先通过氢转移反应引发生成自由基·C14H9,自由基·C14H9与周围的蒽分子结合生成自由基·C28H19,·C28H19被周... 详细信息

采用反应分子动力学模拟方法ReaxFF模拟蒽热生焦初期的反应过程,推测得到蒽缩合生成四聚体可能的反应途径。蒽在热生焦初期,首先通过氢转移反应引发生成自由基·C14H9,自由基·C14H9与周围的蒽分子结合生成自由基·C28H19,·C28H19被周围的蒽分子夺去1个氢原子生成二聚物C28H18。二聚物C28H18通过氢转移反应生成自由基·C28H17,自由基·C28H17与周围的二聚物分子反应,可能生成三聚物C42H26,也可能生成四聚体自由基·C56H35。

关键词：针状焦蒽液相炭化分子模拟反应分子动力学模拟

Si-GDP结构和力学性能的反应分子动力学模拟

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强激光与粒子束 2024年第6期36卷 74-80页

作者：黄保生杨武易勇毕鹏西南科技大学材料与化学学院四川绵阳621010 西南科技大学数理学院四川绵阳621010

构建了硅掺杂辉光放电聚合物(Si-GDP)模型,采用反应力场分子动力学模拟(ReaxFF MD)探讨了硅含量、碳氢比及密度对其杂化碳键合与力学性能的影响。研究结果表明:随着硅含量增加,聚合物中sp^(3)C含量增加,趋向于形成一个大分子,同时小分... 详细信息

构建了硅掺杂辉光放电聚合物(Si-GDP)模型,采用反应力场分子动力学模拟(ReaxFF MD)探讨了硅含量、碳氢比及密度对其杂化碳键合与力学性能的影响。研究结果表明:随着硅含量增加,聚合物中sp^(3)C含量增加,趋向于形成一个大分子,同时小分子种类和数目减少,促进了碳硅原子成键并抑制端基CH_(3)生成,进而提高材料力学性能;随着氢含量的增加,sp^(3)C和端基CH_(3)比例增加,生成的端基CH_(3)降低了分子间交联程度,进而降低了材料力学性能,而分子基团数目变化不明显;随着密度的提升,聚合物中sp^(2)C比例提升明显,sp^(3)C比例有少量提升,分子基团数目变化不大,密度主要通过提升sp^(2)C比例提升材料力学性能。研究结果为评估和理解硅掺杂辉光放电聚合物的结构和力学性能提供了新的视角和方法。

关键词：反应分子动力学模拟辉光放电聚合物力学性能硅掺杂

大气压等离子体降解真菌毒素的反应分子动力学模拟研究

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大气压等离子体降解真菌毒素的反应分子动力学模拟研究

作者：李山瑞山东大学

学位级别：硕士

随着食品安全重大战略的深入实施和人民生活需求的不断提高,真菌毒素污染问题引起广泛关注。作为真菌物种的有毒代谢产物,真菌毒素广泛存在于谷物、水果及相关制品中,给人类健康及产业经济带来极大威胁。大气压冷等离子体(Cold Atmosphe... 详细信息

随着食品安全重大战略的深入实施和人民生活需求的不断提高,真菌毒素污染问题引起广泛关注。作为真菌物种的有毒代谢产物,真菌毒素广泛存在于谷物、水果及相关制品中,给人类健康及产业经济带来极大威胁。大气压冷等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)作为一种非热处理技术,为真菌毒素污染问题的解决带来了新思路和新方法。等离子体中频繁的粒子碰撞可以产生丰富的活性粒子,众多活性粒子在与有机分子相互作用的过程中起到关键作用,呈现出高效、环保、非选择性等优点。目前的研究已明确CAP可以对多种真菌毒素起到有效降解作用,但是CAP活性粒子与真菌毒素相互作用的潜在机理尚不明确,限制了 CAP技术在该领域的发展和产业化应用。CAP处理真菌毒素的过程中,发挥关键作用的活性物种是活性氧粒子(Reactive Oxygen Species,ROS),因此选择ROS与常见真菌毒素的相互作用作为研究对象,采用反应分子动力学模拟(Reactive Molecular Dynamics,RMD)的方法在原子尺度上探究ROS与关键毒性位点的相互作用机制。基于此,进一步分析了不同浓度ROS对真菌毒素降解效果的影响,为CAP降解真菌毒素甚至其他有机污染物提供机理支撑和调控准则。本文主要内容包括以下几个方面:(1)概述了大气压冷等离子体的基本概念、主要活性成分及其在各领域的应用,重点介绍了等离子体降解真菌毒素的优势与研究现状。介绍了反应分子动力学模拟、ReaxFF力场的基本原理,并对本文研究方法的流程和相关参数设置进行了详细说明。(2)模拟研究了四种活性氧粒子(氧原子、羟基自由基、过氧化氢、臭氧)与呕吐毒素(DON)分子、黄曲霉毒素B1(AFB1)分子的相互作用机制。模拟结果表明,活性氧粒子可通过碳碳双键的加成,内酯环、环氧环的开环等反应路径造成关键毒性位点的破坏,与实验结果的对照对模拟结果进行了有效验证。进一步分析了 AFB1和DON共有毒性位点碳碳双键的降解规律,除加成反应外,碳碳双键还受到其他位点夺氢反应或者断键的影响而被还原。(3)模拟研究了 ROS作用下内酯环类真菌毒素的降解路径与降解产物,分析了真菌毒素主要毒性位点的反应类型。AFB1、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素B和棒曲霉毒素为常见的内酯环类真菌毒素,内酯环的降解过程主要包括内酯环的开环和内酯羰基的还原,臭氧对内酯环的开环反应具有重要的作用,过氧化氢因失去自身的氢原子造成内酯羰基的还原。不同真菌毒素还具有若干不同位点,主要毒性位点的反应类型包括加成反应、氧化还原、开环反应、侧链脱落甚至骨架结构的断裂。

关键词：大气压冷等离子体活性氧粒子真菌毒素反应分子动力学模拟降解机理

大气压等离子体降解有机污染物的反应分子动力学模拟研究

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大气压等离子体降解有机污染物的反应分子动力学模拟研究

作者：姚茜山东大学

学位级别：硕士

随着社会的发展和人类活动范围的扩大,抗生素等有机污染物近年来在水环境中被广泛地检测出来,给人类健康及生态环境带来了极大地威胁。作为一种新型的高级氧化方法,等离子体水处理技术综合了活性粒子氧化、高能电子轰击、光催化及强电... 详细信息

随着社会的发展和人类活动范围的扩大,抗生素等有机污染物近年来在水环境中被广泛地检测出来,给人类健康及生态环境带来了极大地威胁。作为一种新型的高级氧化方法,等离子体水处理技术综合了活性粒子氧化、高能电子轰击、光催化及强电场电解等多方面作用,具有反应迅速、非选择性、处理效率高、无二次污染等优点。目前已经在实验室条件下对其进行了深入探究并实现了局部范围的应用。然而能耗高、产物不明确等缺点限制了等离子体水处理技术的进一步发展。在水处理的过程中,等离子体与有机污染物相互反应时发挥主要作用的是含量丰富种类众多的活性氧和氮(Reactive Oxygen and Nitrogen Species,RONS)粒子。而采用反应分子动力学(reactive Molecular Dynamics,rMD)方法能够在原子维度上探究二者之间复杂的反应机理从而为与实验结合评估等离子体水处理技术的降解安全性提供理论基础。本文内容包括以下几个方面:1.概括介绍了大气压低温等离子体在各领域的应用并重点介绍了等离子体水处理技术原理及研究现状。对分子动力学、反应分子动力学的基本思想、发展方向及基础的模型搭建、预处理过程进行了简略表述。并以寡核苷酸为算例分析了活性氧粒子(Reactive Oxygen Species,ROS)与有机分子的微观反应机理及剂量效应,并与大量的实验结果进行对比,进一步论证了 rMD方法的科学性及有效性。2.利用分子动力学方法在ReaxFF反应力场中模拟了四种活性氧粒子(羟基自由基、氧原子、过氧化氢、臭氧)与土霉素分子的反应机制。研究发现,活性氧粒子可导致土霉素关键官能团的破坏、四元脂肪环的开环及重要化学键的断裂,证明了活性粒子可大大降甚至消除土霉素分子的抗菌活性,实现有效降解。3.分别探究了羟基自由基单独作用、臭氧单独作用及二者协同作用降解卡马西平的反应原理。模拟发现,和羟基自由基相比,臭氧分子在破坏卡马西平三元碳环的骨架结构上具有极大的优势;当二者而共同作用时,羟基自由基对开环后卡纳西平分子的后续氧化过程起到了积极的作用。本文从原子层面探究了活性粒子降解药品残留物的微观机理,为评估等离子体水处理技术的降解安全性提供理论基础。此外,本文对各类不同浓度的活性粒子作用下有机污染物的处理效果,为优化反应器工艺实现工业应用能量最优化提供参考。

关键词： ROS 有机污染物降解大气压低温等离子体土霉素卡马西平反应分子动力学模拟 ReaxFF

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童亭煤密中质组热行为的反应分子动力学模拟

童亭煤密中质组热行为的反应分子动力学模拟

作者：郑苏霞中国矿业大学

学位级别：硕士

煤炭是我国的基础能源,在生产中发挥着无可替代的作用,其高效、洁净化利用的需求日益增加。煤热解是煤炭高效转化的必经步骤,也是煤加工和利用的重要方式之一。本文基于煤嵌布结构理论,采用萃取-反萃取实验和快速溶剂萃取实验所得的密... 详细信息

煤炭是我国的基础能源,在生产中发挥着无可替代的作用,其高效、洁净化利用的需求日益增加。煤热解是煤炭高效转化的必经步骤,也是煤加工和利用的重要方式之一。本文基于煤嵌布结构理论,采用萃取-反萃取实验和快速溶剂萃取实验所得的密中质组骨架及小分子化合物为原料,使用MS软件构建了童亭煤密中质组骨架单元模型和骨架聚集体的周期性结构,并进行模拟优化;采用分子动力学和反应分子动力学方法(Reax FF MD),研究密中质组骨架聚集体(DMC-S-12)的热行为,探讨不同小分子化合物充填至骨架聚集体的行为及能量变化;揭示小分子化合物在热解过程中对流动性的影响。主要内容如下:基于Reax FF MD方法考察热解终温和升温速率对DMC-S-12热解模拟的影响,结果发现热解终温的升高有利于反应的进行和分子间的断键,升温速率过快不利于热解反应的进行和热解产物的生成。最终确定最佳热解条件为升温速率5 K/ps,热解终温为4000 K作为后续热解模拟的条件,结合在此条件下DMC-S-12热解模拟得到的失重曲线和实验测试TG曲线对比发现两者具有良好的一致性,验证了模拟结果的可靠性。根据密中质组小分子化合物的萃取率,确定了密中质组中含有的芳族小分子、脂族小分子和含氧小分子各为5组,利用分子力学和动力学探究了小分子化合物的填充行为。研究发现分别充填芳族小分子、脂族小分子和含氧小分子的骨架聚集体模型的真密度为1.274 g/cm、1.138 g/cm和1.176 g/cm,与密中质组实测真密度值1.12 g/cm相近,通过对这三个大分子结构模型优化前后的能量进行分析发现扭转能和范德华能在整个模型结构凝聚和优化过程中起了稳定作用。通过Reax FF MD热解模拟研究DMC-S-12和充填了小分子化合物的四个分子结构模型的C、H、O三种元素的迁移规律,结果表明:碳元素在挥发性产物中随着温度的升高由热解气向重质焦油中迁移;氢元素在热解过程中随着温度的升高由非挥发分向热解气中迁移;氧元素在挥发性产物中由重质焦油向热解气迁移。通过对比非挥发分H/C、气液比和C含量三个参数来研究小分子化合物种类对热解过程中的流动性影响。结果表明充填了芳族小分子的DMC-S-12分子结构模型中的非挥发分H/C最高、气液比最低,C含量最低,其流动性也最大;芳族小分子对密中质组热解过程中的影响最大,脂族小分子和含氧小分子次之,添加了小分子化合物的结构模型的流动性均高于骨架聚集体。本论文有图49幅,表11个,参考文献70篇。

关键词：煤密中质组反应分子动力学模拟热行为流动性

基于反应分子动力学模拟的等离子体与DNA分子相互作用的机理研究

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基于反应分子动力学模拟的等离子体与DNA分子相互作用的机理研究

作者：王磊山东大学

学位级别：硕士

等离子体医学(plasma medicine)是等离子体科学与生物医学学科交叉融合而成的一门新型研究领域。近年来,大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)技术飞速进步,极大地推动了等离子体医学(plasma medicine)的发展进程。CAP中存... 详细信息

等离子体医学(plasma medicine)是等离子体科学与生物医学学科交叉融合而成的一门新型研究领域。近年来,大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)技术飞速进步,极大地推动了等离子体医学(plasma medicine)的发展进程。CAP中存在许多种活性组分,其中活性氧粒子(Reactive Oxygen Species,ROS)被认为是CAP发挥生物医学作用的关键成分。ROS可以与生物组织或细胞内的生物分子相互作用,改变其分子结构;还可能作为信号因子影响细胞的正常生理过程。本课题组通过实验证明了经CAP活化之后的磷虾油具有高效的抑癌活性,这说明ROS导致了磷虾油成分的改变,其具体的变化过程以及磷虾油活性提高的机理无法通过实验测定,仍需要进一步的探索。此外,还有研究表明等离子体可以有效杀灭癌细胞,且被灭活的癌细胞内存在碎裂的DNA片段,这被认为是ROS所导致的,但是人们对ROS与DNA分子具体反应的微观机理的认知还没有十分清晰,同样需要进一步的深入研究。随着计算机技术的发展,分子模拟技术成为探究物质之间微观反应机理的重要手段,它可以突破实验检测手段的单一性和局限性,是对实验方法和理论方法的有力补充,近年来,越来越多的学者将分子模拟技术应用到等离子体医学的研究中,受到了广泛的认可。本文正是利用反应分子动力学模拟的方法对上述现象进行了微观机理的探索,并对当前热门的等离子体剂量问题进行了初步的研究。本文的主要内容主要分为以下几个方面:1.概括介绍了大气压低温等离子体,综述了 CAP在生物医学方面的应用,论证了分子模拟应用于生物医学领域的可行性。又介绍了本文所用的反应分子动力学模拟方法以及ReaxFF力场,详细讲解了反应分子动力学方法的原理,并对模拟模型的建立和预处理过程进行了论述。再以艾滋病病毒衣壳蛋白结构为算例,分析了等离子体ROS与衣壳蛋白的反应微观过程,并讨论了剂量作用的影响,证实了反应分子动力学方法的有效性。2.对磷虾油的主要成分进行了分析,选用EPA和DHA两种多不饱和脂肪酸以及虾青素这三种具有抗癌效果的成分作为研究对象,建立相应模型,进行反应分子动力学模拟,分析化学反应的反应路径以及相关产物。经过模拟发现虾青素在等离子体作用下,α-羟基酮结构遭到破坏,虾青素不能继续保持强抗氧化性,这对它的抗癌效应也有很大的影响,同时也失去了对氧化EPA和DHA的保护效果;EPA和DHA在ROS的作用下,一方面,分子上的隔离双键结构转化成为活性更高的共轭多烯键结构,另一方面,末端甲基有几率可以被氧化为醛基,最终生成不饱和醛,这种不饱和醛存在生物毒性,可以对癌细胞造成损伤。因此EPA和DHA在被等离子体处理之后可以转化成为生物性能更活跃的结构,很可能就是磷虾油经等离子体活化后抑癌效果提升的关键所在。3.选用了等离子体ROS中的基态氧原子、羟基和过氧化氢分子分别与构成DNA的四种基本脱氧核苷酸进行反应分子动力学模拟。通过模拟发现,氧原子和羟基可以通过夺氢作用破坏脱氧核苷酸的碱基以及脱氧核糖结构,有几率导致DNA分子内氢键以及磷酸二酯键的断裂,从而引起DNA双链分离,甚至DNA骨架断裂。过氧化氢分子既能从碱基上夺氢,也能将自身氢原子加成到碱基上影响碱基上氢原子的分布,从而破坏DNA分子间氢键,但是过氧化氢分子对脱氧核糖部分的几乎无影响。氧原子在三种ROS中的夺氢效果最优,其次是羟基,最后是过氧化氢分子,而且胞嘧啶和鸟嘌呤要比胸腺嘧啶和腺嘌呤更易被夺氢。再通过对多浓度下氧原子的夺氢效果的对比发现碱基上失去氢原子的概率随着氧原子浓度的提高而提高,脱氧核糖上的失氢概率也表现出相似的趋势,但是断链和核糖开环的概率并未随氧原子浓度的升高而升高,而是相对来说很早的就保持在一个水平上,这主要是由于高浓度下产生环上烯键的原因。

关键词：等离子体医学反应分子动力学模拟 ROS 磷虾油 DNA分子

大气压等离子体与细胞分子结构相互作用机理的反应分子动力学模拟

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大气压等离子体与细胞分子结构相互作用机理的反应分子动力学模拟

作者：崔静娴山东大学

学位级别：硕士

大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)呈现出的高效率、低能耗、安全可靠、无污染以及可直接用于生物体组织等优势,使其在生物医学领域应用前景广阔。其中包含的大量活性成分在与生物组织相互作用过程中起到关键作用。然而... 详细信息

大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)呈现出的高效率、低能耗、安全可靠、无污染以及可直接用于生物体组织等优势,使其在生物医学领域应用前景广阔。其中包含的大量活性成分在与生物组织相互作用过程中起到关键作用。然而,由于目前的实验检测手段难以探究等离子体活性组分与生物体相互作用的微观机制。因此,从分子生物学层面对CAP与生物细胞相互作用的机理研究显得尤为重要。本文借助反应分子动力学,从化学反应角度深入探索等离子体中活性组分在致病菌灭活过程中的作用,从微观层面表征活性粒子作用效果,以及等离子体处理后细菌内部发生的一系列功能和结构变化。这有利于为CAP灭菌技术和相关灭菌机理的发展和完善提供支撑。本文的主要内容包括以下几个方面:(1)综述了CAP在生物医学领域的应用背景,整合并分析了国内外在CAP灭菌方面的研究现状以及实验推断出的灭菌机制。介绍了反应分子动力学模拟在生物医学领域关于探究灭菌微观机制的可行性。运用模拟软件Materials Studio对系统模型进行创建并优化其分子结构,为开展反应分子动力学模拟的相关研究奠定基础。(2)运用反应分子动力学模拟的方法探究了不同种类ROS(即O、OH、H02、H2O2)对酵母菌细胞壁骨架结构β-葡聚糖(*** β-glucan,SCG)分子的破坏作用。结果表明,ROS与SCG结构进行夺氢反应,使结构中的化学键断裂(即C-O、C-C),从而导致酵母菌细胞壁的破坏。其中,O、OH吸引结构上的H原子,活性较高,易断裂C-C键和葡聚糖支链结构上的单糖;HO2、H202被结构夺氢,反应效率较高,易断裂C-O键,主要通过破坏糖苷键使葡聚糖的链式结构瓦解。分类描述了各种ROS在SCG结构不同位置造成的破坏路径,发现单糖结构较糖苷键更容易被破坏。通过数据分析,对比了不同ROS对SCG破坏的特性和效果,其中O活性最强,OH次之,HO2和H2O2由于作用方式不同活性较弱。并且ROS之间的相互转化会一定程度上影响到反应效率。将分子模拟结果与相关实验现象相互验证,在原子水平上阐述了等离子体中ROS对真菌细胞壁破坏的微观机理。(3)采用不同浓度等级(即5、10、20、30、40、50)的OH自由基与金黄葡萄球菌菌膜骨架结构多聚β-6-N-乙酰氨基葡萄糖胺(Poly-β-1-6-N-acetylglucosamine,PNAG)分子进行反应分子动力学模拟。结果发现OH自由基不仅能破坏化学键导致PNAG分子结构的断裂,还可以与PNAG分子发生OH加成反应,形成新的化学结构。随着OH自由基浓度的升高,反应效率先升后降,仿真中会出现许多新的破坏单糖的反应路径。当OH的浓度等级达到50时,会造成对糖苷键的破坏。并且C-C键的破坏率先迅速增长后逐渐平缓,而C-O键破坏率的增长呈现出先平缓后增速的趋势,但是C-C键断裂的数量和比例都远高于C-O键,C-N键几乎不被OH破坏。OH与结构发生加成反应主要位于R基,尤其是-NH2。随着OH浓度增加,会出现在糖苷键位置的OH加成反应。在原子水平上全面探究ROS与生物结构之间相互作用的反应路径和反应效率,可以从微观层面上为探索等离子体物理特性与灭菌效果之间的联系提供理论支撑,进而指导等离子体在生物医学领域的应用,促进等离子体医学研究的发展。

关键词：大气压低温等离子体反应分子动力学模拟活性粒子细胞分子结构相互作用机理

电热作用下矿物绝缘油裂解的反应分子动力学模拟

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上海电力大学学报 2024年第3期40卷 285-292页

作者：李开基严英杰刘亚东上海电力大学电气工程学院上海200090 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

针对矿物绝缘油因电、热因素裂解,从而导致绝缘失效问题,提出了一种基于ReaxFF力场的反应分子动力学模拟方法。在传统的运动方程式中加入电磁理论,建立了含有30个分子的矿物绝缘油仿真模型,分析了热场和电场对矿物绝缘油裂解微观过程的... 详细信息

针对矿物绝缘油因电、热因素裂解,从而导致绝缘失效问题,提出了一种基于ReaxFF力场的反应分子动力学模拟方法。在传统的运动方程式中加入电磁理论,建立了含有30个分子的矿物绝缘油仿真模型,分析了热场和电场对矿物绝缘油裂解微观过程的影响。首先对特征气体进行识别和统计,然后通过仿真动态图像分析矿物绝缘油的微观反应过程,最终得到了电热联合作用矿物绝缘油的产气规律。通过与柱板电极放电实验产气的结果对比,验证了仿真结果的合理性。实验结果表明,热场是矿物绝缘油裂解的主要影响因素,同时电场对矿物油裂解也起到促进作用。

关键词：矿物绝缘油电场热场反应分子动力学模拟 ReaxFF力场