数值模拟在化学及生物分子互作中的应用

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数值模拟,是根据客观实际体系,合理抽象,构建适当模型,并在计算机上进行的试验。近几十年来,随着计算机软件、硬件的飞速发展和日益普及,数值模拟在计算数学、理论物理、量子化学、生物信息等领域有着广泛的应用。  本文选择两个案例简单阐述了数值模拟在化学及生物分子互作中的应用。一则是单壁碳纳米管(Single-walled Carbon Nanotubes,SWNT)与过氧化氢在中性和碱性条件的反应。本案例采用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)探索了金属型单壁碳纳米管、半导体型单壁碳纳米管与过氧化氢在中性溶液、碱性溶液下的反应。其中,通过B3LYP方法在6-31G*水平上优化结构,计算过渡态及频率;所有的过渡态都做IRC(Intrinsic Reaction Path,IRC)分析以验证反应物和产物;极化连续介质模型(Polarizable Continuum Model,PCM)被用于考虑溶剂化效应,在6-31+G水平上计算单点能,所有计算都使用Gaussian09完成。数值模拟计算清晰地显示了单壁碳纳米管与过氧化氢的反应路径,对单壁碳纳米管进行表面修饰,分析单壁碳纳米管的分散性能,为进一步制备具有独特的碳纳米管材料提供基础材料,具有重要的现实意义。  另一则是小高尔基体Golgi在Nezha蛋白质协助下的竞争生长。本案例根据已有的Golgi和Nezha蛋白质实验现象和数据,结合图像处理、模式识别、人工智能等计算机视觉技术以及合理抽象,提出一些基本假设,从而构建了Nezha蛋白质协助Golgi竞争生长的模型。所有模拟计算均使用Matlab软件在个人计算机(win7-64bit操作系统)上得出,数值模拟计算结果与实验相符。在一定程度上,为探索Golgi与Nezha蛋白质之间的相互影响,提供了理论基础。  通过这两个案例实施,可以看出:数值模拟不仅能够模拟试验观察到的实验过程,而且也具备研究分子的结构、行为等,比如分子在各种表面上的动态行为、玻璃态的分子结构、分子运动的特性、蛋白质的折叠等现代化学及生物实验难以计量的化学和生物现象与过程。
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