分子模擬在化學(xué)工程中的應(yīng)用與研究

朱達(dá)　鄭婧

[摘 要] 近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)結(jié)合化工學(xué)科多年來形成的理論和實(shí)驗(yàn)研究，產(chǎn)生了一種新穎的研究手段——分子模擬。分子模擬是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)關(guān)系的強(qiáng)大工具，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)工業(yè)從產(chǎn)品到過程設(shè)計(jì)的完全自動(dòng)化。針對(duì)整個(gè)過程的量子化學(xué)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)研究等作出了闡述，體現(xiàn)了分子模擬在化學(xué)工程、產(chǎn)品開發(fā)中的巨大作用。

[關(guān) 鍵 詞] 分子模擬；量子化學(xué)計(jì)算；化學(xué)工程；分子動(dòng)力學(xué)

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）02-0183-01

化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生于19世紀(jì)末一些重要物質(zhì)（如氨、堿、硫酸、金屬、化肥等）的大規(guī)模制造，繁榮于20世紀(jì)中葉那個(gè)不斷為社會(huì)提供激動(dòng)人心的新物質(zhì)（如有機(jī)殺蟲劑、合成塑料、合成橡膠、人造纖維、抗生素等）的年代。這些物質(zhì)深刻地改變了整個(gè)人類的生活面貌。當(dāng)然其中有些物質(zhì)在帶給人類巨大福祉的同時(shí)也帶來了災(zāi)難，典型的如四乙基鉛、DDT、氟里昂以及越來越被重視的白色污染——塑料。當(dāng)今化學(xué)工業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)是如何推出性能優(yōu)越、功能齊備的新產(chǎn)品新材料，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步，為此必須尋求一種指導(dǎo)開發(fā)新產(chǎn)品、新材料的科學(xué)理論。因而在對(duì)物質(zhì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)達(dá)到了前所未有高度的今天，如何理性地發(fā)現(xiàn)與合成物質(zhì)并深入地探討分子結(jié)構(gòu)與宏觀材料和產(chǎn)品性質(zhì)之間的關(guān)系已經(jīng)成為化學(xué)工程的重要研究課題。分子模擬及分子設(shè)計(jì)對(duì)化工新產(chǎn)品、新材料、生物醫(yī)藥制品等的開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。

分子模擬，即利用計(jì)算機(jī)以原子水平的分子模型來模擬分子的行為，進(jìn)而模擬分子體系的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的方法。它是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過基本原理，構(gòu)筑起一套模型和算法，從而計(jì)算出合理的分子結(jié)構(gòu)與分子行為。分子模擬不僅可以模擬分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，也可以模擬分子體系的動(dòng)態(tài)行為。在化工行業(yè)受到關(guān)注的技術(shù)主要有單元操作集成技術(shù)、表面及界面技術(shù)、膜技術(shù)、超臨界技術(shù)、納米技術(shù)、生物化工技術(shù)等，這些技術(shù)涉及聚合物以及生物活性等復(fù)雜分子，除了通過繁雜的實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)的化合物的物性數(shù)據(jù)外，利用分子模擬技術(shù)已經(jīng)可以很方便地獲得許多有用的性質(zhì)（如狀態(tài)方程、臨界常數(shù)、反應(yīng)熱，甚至可以得到化合物反應(yīng)過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)式），大大促進(jìn)了研究者對(duì)復(fù)雜反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。分子模擬方法不僅可以直觀了解系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)，而且計(jì)算的結(jié)果可用于檢驗(yàn)和改進(jìn)各種經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，另外它可以直接提供?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是在某些極端條件，如高溫高壓或低溫高壓以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備十分昂貴或試劑有劇毒時(shí)，分子模擬方法更顯示其優(yōu)越性。

分子模擬一般包括基于量子化學(xué)的模擬和基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)的模擬。在量子化學(xué)的層次上主要是通過求解薛定諤方程得到分子的勢(shì)能面和相應(yīng)的波函數(shù)，進(jìn)而可以得到分子的鍵能、鍵角、偶極矩以及光譜性質(zhì)等一系列數(shù)據(jù)，當(dāng)然，對(duì)多電子體系，只能通過各種近似方法大致計(jì)算出分子的波函數(shù)以及相關(guān)的物理性質(zhì)。在化工生產(chǎn)中類似聚合物這樣的大分子，便無(wú)法利用上述的量子化學(xué)的計(jì)算方法來解決。現(xiàn)今，一般采用分子力學(xué)的方法來處理這些“大分子”，即用力場(chǎng)來描述分子中各個(gè)原子之間的作用力（這里提到的力場(chǎng)即為描述原子間作用的數(shù)學(xué)函數(shù)以及相關(guān)的參數(shù)）。通過數(shù)學(xué)函數(shù)的選擇及參數(shù)的優(yōu)化便可以得到與體系符合的狀態(tài)方程，從而可以更好地認(rèn)識(shí)反應(yīng)的機(jī)理。統(tǒng)計(jì)力學(xué)層次是和實(shí)際生產(chǎn)最為接近的層次（相較于量子力學(xué)層次），在化工生產(chǎn)中更關(guān)心的是物質(zhì)的宏觀性質(zhì)（如擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容等），而量子力學(xué)計(jì)算只能得到單個(gè)分子的相關(guān)性質(zhì)，而物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是由大量分子的相互作用所表現(xiàn)出來的。為了解決這個(gè)問題，在前者的基礎(chǔ)之上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)力學(xué)的研究方法，對(duì)大量分子進(jìn)行理論計(jì)算與模擬實(shí)驗(yàn)便可以得到與實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)的物理化學(xué)數(shù)據(jù)。

利用分子模擬技術(shù)可以研究分子的微觀結(jié)構(gòu)、模擬研究相界面、研究分子的擴(kuò)散性質(zhì)等。以模擬分子的擴(kuò)散為例，目前擴(kuò)散系數(shù)主要來源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或半經(jīng)驗(yàn)方程的估算，首先通過收集大量的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到相應(yīng)的擴(kuò)散方程，然后在不同的狀態(tài)下進(jìn)行校正，進(jìn)而獲得與實(shí)際生產(chǎn)相符的模型，通過分子模擬往往可以代替昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)省大量的人力物力，并獲得與實(shí)際大致相符的結(jié)果。

目前由微擾理論、積分方程理論和密度泛函理論導(dǎo)出的理論公式或模型已有很多，并且在化工界已普遍應(yīng)用。這些公式雖存在一定的近似性，但可借助于分子模擬方法來修正及校驗(yàn)，因此兩者間的相互校驗(yàn)是十分必要的，這樣可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。在此基礎(chǔ)上，借助于分子模擬可以從經(jīng)驗(yàn)平均公式演化為理論公式或改進(jìn)已有的理論模型來形成新的熱力學(xué)理論模型和傳遞性質(zhì)模型。

當(dāng)今化學(xué)工業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)是如何推出性能優(yōu)越、功能齊備的新產(chǎn)品新材料，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步，為此必須尋求一種指導(dǎo)開發(fā)新產(chǎn)品、新材料的科學(xué)理論。毫無(wú)疑問，分子模擬便是一種極為方便快捷的方式。本文主要對(duì)分子模擬做了相關(guān)闡述解釋，表明分子模擬是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)—性質(zhì)關(guān)系研究的強(qiáng)大工具。分子計(jì)算科學(xué)是和化學(xué)工程密切相關(guān)的物質(zhì)科學(xué)的前沿之一，相信它會(huì)為化學(xué)工程這樣一門相對(duì)古老的學(xué)科注入新的活力。

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