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計算機分子模擬技術范文1
關鍵詞：計算機輔助藥物設計；藥物設計；原理；應用
進入21世紀，現代科學和計算機技術的運用，不斷改進藥物發現的技術和方法；化學信息學和生物信息學，信息處理和轉換的根本變革，分子生物學、細胞生物學、免疫學、遺傳學、生物化學、藥物化學、結構化學、藥理化學、藥理學的發展和交叉滲透，特別是與計算機科學的融合，產生了把計算機的模擬技術應用于新藥的研究和開發的新型方法-計算機輔助藥物設計。
1 在基于結構藥物設計中的作用和意義
基于結構藥物設計（SBDD）的基本出發點是針對藥物作用靶點和藥物分子的結構、功能及與藥物作用方式，來設計作用專一、活性強、不良反應少的新藥。計算機輔助藥物設計將SBDD的思路以計算機方法加以實現，為藥物設計提供了理論思維形象化的表達及強有力的基本工具和手段。
隨著生物大分子結構測定和計算機技術的進步，SBDD得以快速發展，并且趨于定向化和合理化，減少了尋找新藥的盲目性和偶然性，提高了藥物設計的成功率，節省了新藥開發工作的人力、物力和財力。
2 計算機輔助藥物設計原理
隨著理論計算技術、X射線晶體學、核磁共振等結構生物學測定技術的逐漸成熟，已經可以獲得研究對象的三維結構信息。藥物、生物大分子以及藥物-生物大分子復合物的三維結構能以實驗方法測得，也能以理論計算方法得到，并可以通過計算機模擬。計算機輔助藥物設計用分子模擬軟件分析受體大分子結合部位的結構性質，如靜電場、疏水場、氫鍵作用位點分布等信息?？疾榕潴w小分子的化學結構特征，尋找和設計合理的藥物分子，識別得到分子形狀和理化性質與受體作用位點相匹配的分子，設計和優化并測試這些分子的生物活性，從而確定具有生物活性的目標化合物。經過多次循環，最終發現新的先導物。
3 利用計算機輔助藥物設計原理進行虛擬篩選
發現全新結構的先導化合物是藥物發現的目標，藥物篩選是現代藥物開發流程中檢驗和獲取具有特定生理活性化合物的一個步驟，是指通過規范化的實驗手段從大量化合物或者新化合物中選擇對某一特定作用靶點具有較高活性的化合物的過程。隨著計算機模擬技術的成熟，便產生了通過計算機的模擬手段進行虛擬篩選（virtual screening，VS）技術。虛擬篩選是針對重要疾病特定靶標生物大分子的三維結構或定量構效關系（QSAR）模型，從現有小分子數據庫中，搜尋與靶標生物大分子結合或符合QSAR模型的化合物，進行實驗篩選研究。虛擬篩選是將藥物篩選過程在計算機上模擬，從上百萬個分子中，發現有潛在的化合物，對化合物可能的活性作出預測，進而對有可能成為藥物的化合物進行有針對性的實體篩選。虛擬篩選的對象是化合物數據庫，這個數據是虛擬化的，避免了傳統實驗篩選帶來的財力、精力、時間上的消耗，大大降低實驗篩選化合物數量，縮小了藥物研發的周期和投入，減少了藥物開發成本。同時，在篩選過程中考慮化合物分子的藥動力學性質和毒性等，使篩選具有更高的內涵。虛擬篩選被應用于藥物活性化合物的發現及并行算法，實現了虛擬篩選的高通量化，進而對比較有可能成為藥物的化合物進行有針對性的實體篩選。虛擬篩選技術已經成為當今藥物研發的重要手段。
4 分子模擬（molecular modeling）
利用計算機圖形學進行分子模擬的技術稱為計算機分子模擬，簡稱分子模擬。通過分子模擬，可以進行直觀、可視化的藥物設計；通過對分子形狀和方位進行運動操作，可觀察藥物與靶點的相互作用，判斷靶點分子可能的結合位點，還能對藥物分子進行整修，提出改善藥物的藥效學和動力學性質的改良方案。
5 計算機輔助藥物設計的意義
計算機輔助藥物設計作為分析工具（“數據挖掘”）和新想法的來源（“理性”分子設計），為藥物發現提供了重要的依據和支撐；這種設計方式完全是在計算機上通過軟件進行模擬計算，成為藥物發現的新途徑；完全打破傳統的藥物發現和設計依賴于大量的實驗篩選、并行的化學合成的方式；計算機輔助藥物設計的引入對整個研發過程都有一定的“輔助”作用，甚至成為推動藥物研發或者決定藥物研發成敗的關鍵因素和主要途徑。
6 計算機輔助藥物設計的思路
作為探索新藥開發的高效研究方法和有效的技術手段，計算機輔助藥物設計通過虛擬篩選與分子對接技術，揭示藥物與機體靶標的作用機制，探索藥物靶點的空間結構，最終目標是設計具有顯著生物活性的藥物分子。即所設計分子能選擇性地與某一靶標結合，或者能同時對多個靶標進行預期的活性的調節作用。
7 計算機輔助藥物設計研究的方向
圍繞藥物研究的兩大對象“藥物和受體”，自20世紀80年代起，“計算機輔助藥物設計”相關領域得到迅速發展，各種算法軟件日新月異。根據受體是否已知和活性數據是否定量，所有研究均可以歸屬于虛擬小分子生成、大分子結構預測、定量構效關系、藥效團模型、分子對接、全新藥物設計和動態模擬（分子動力學/隨機動力學/蒙特卡洛）等七大研究方向。
在虛擬篩選時，需要產生大量的候選分子，這個需求導致產生了“虛擬小分子生成”研究領域；受實驗測定的限制，大量的受體結構信息需要利用計算機模擬的方法得到，這就催生了“大分子結構預測”研究領域；早期受體結構信息缺乏，但是圍繞著同一受體或者疾病已經獲得多個小分子活性信息，根據該活性信息是否為定量信息，分別發展出“定量的構效關系”和半定量的“藥效團模型”兩個研究領域；隨著近年來受體結構信息逐漸增多，誕生了“分子對接”技術；與此同時，隨著片斷組織學及前面幾個“計算機輔助藥物設計”技術的成熟發展及改進，催生了“全新藥物設計”技術；動態模擬（分子動力學/隨機動力學/蒙特卡洛）是非常特殊的技術，盡管該方法不能直接判斷出某分子是否為藥物候選分子，但是在前面六個技術中需要都會用到該方法，特別是在含有大分子結構時，它是對整個分子體系進行優化使其達到某個“合理結構”狀態不或缺的方法。
計算機輔助藥物設計以其特有的高效便捷等特點，為藥物設計提供新的思路和創新途徑；為藥物靶點的發現提供技術保障；也為先導化合物的優化和生物學驗證提供了理論指導。通過藥物設計軟件可以從理論深度解釋實驗結果、驗證實驗數據的可靠性、得到實驗無法得到的微觀數據，并根據研究結論做出最佳決策，使藥物發現更經濟有效；增強對科學研究的深度，從而提高科研和論述水平；通過模擬計算、指導實驗，避免實驗的盲目性，從而節省實驗經費的投入，并縮短研究周期。
參考文獻
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計算機分子模擬技術范文2
盧本卓就是這樣一名科研人，一名不斷尋求生命最大效能的科研工作者。
一項成果引關注
從計算機模擬第一次嘗試介入解決分子生物學的問題開始算起，至今已經有大概三分之一個世紀了，學術界對它的濃厚興趣和重視程度依然有增無減。畢竟，生物的復雜度要遠遠超過單一的自然現象，而用筆來計算生物學中的規律，常常是難以想象的（這也是19世紀末20世紀初理論物理和如今“理論生物學”的顯著區別之一）。
同時，由于生物系統的復雜結構及多尺度多物理過程的特點，這就決定了數學在生物學中的介入，主要是以數值計算和模擬為主。就像現代交通技術中用攝像頭監視記錄大街上忙碌穿梭的車流，然后后臺用電腦分析龐大的細節路況信息一樣，分子模擬也用計算機來觀察和分析生命活動在極小尺度一原子分子一上的活動軌跡。這些眾多的原子、分子就像街道上的車輛。但不同的是生物分子內的任意一個原子都與所有其它原子有相互作用，正是這些相互作用使生物分子形成一個有機整體。計算這些巨大數目的相互作用是耗費計算機心力－CPU－的最主要任務。實際上，一個普通分子生物學問題的模擬研究里的計算量就可以大得足以讓當前國際上最強大的超級計算機也難以承受。這也是計算機模擬科學家們要攻克的一個難關。
2010年6月，一項研究成果“自適應快速多極矩Poisson-Boltzmann方程求解程序”軟件包（AFMPB）的beta版本。這一工作總結了盧本卓近年來在生物分子靜電相互作用計算研究中豐富和發展了的邊界元方法，并首次實現了與自適應新版快速多極矩的結合，在單CPU計算上計算大分子靜電取得最快的加速效果，這也代表了近年來國際上在邊界元方法計算PB靜電方面的最新進展。
盧本卓介紹這一進展和軟件的文章“AFMPB：An Adaptive Fast Multipole Poisson-Boltzmann Solver for Calculating Electrostatics in Biomolecular Systems”刊登在了Computer Physics Communication雜志上。
對盧本卓及其同事發展的自適應快速多極矩邊界元求解PB方程的一整套方法及其開源軟件程序包AFMPB，分子靜電領域權威專家、國際計算科學與發現雜志主編、美國西北太平洋國家實驗室Nathan Baker教授在Faculty of 1000 Biology上這樣推薦和點評他們的工作：“文章描述了一組用于生物分子計算的激動人心的、嶄新的方法和軟件。作者提供了一個多極矩加速的邊界元方法，對一大類隱式溶劑的生物分子模擬、包括蛋白一蛋白相互作用、擴散結合、擁擠溶液模擬等顯示出了巨大的前景”。
Faculty of 1000 Biology是一個生物領域著名的在線科研評價系統，該機構專家每年對全球SCI文章總數不足千分之二的優秀精品生命科學和醫學論文進行推薦和點評，并賦予“F1000論文”稱號向科學界推薦。
另外，最近瑞典斯德哥爾摩大學Erik Lindahl教授也在他的“分子動力學模擬算法進展”的綜述文章中用了一段話來評述盧本卓和他的合作者們在使用快速多極矩方法加速PB求解、改善內存需要、及應用于大分子的情形，并展望了它在并行化和處理非周期系統的優勢。
對于這一引起廣泛關注的成果，盧本卓表示，連續模型是分子模擬中廣泛采用的用來克服全原子模擬的時間空間尺度限制的方法，但其模型的準確性和數值計算上的困難也是連續模型方法長期面臨的一個挑戰，其應用范圍受到很大限制。而盧本卓他們在分子靜電、電擴散及電彈性等方面的工作為實現高效有效的連續模型模擬提供了一系列核心技術、方法與工具，包括模型建立、有效的數值計算方法及其所需的分子網格的產生等，將有力促進有關方法的發展，拓展其應用范圍。
兩個方向顯前景
科研是艱苦的，艱苦到局外人難以感同身受；科研是孤獨的，孤獨到沒有故事可講。十幾年的科研歲月里，盧本卓就像他研究的那些肉眼看不見的微小的生物分子，在飛速地跳躍和運動著，唯有在顯微鏡下，才能看到它們有多么美，多么熱烈！
2002年，盧本卓獲得了中國科技大學生物化學與分子生物學的博士學位，之后于2003年赴美深造，先后在加州大學圣地亞哥分?；瘜W與生物化學系及美國著名的非營利性醫學研究所――霍華德休斯醫學研究所做博士后研究。
2008年，盧本卓作為“百人計劃”海外優秀人才引進到中科院數學與系統科學研究院工作。除了在生物分子靜電計算的研究中取得了進展，一直從事計算生物／計算化學這一高度交叉的新興學科研究的他，也正在以下方面取得一些有國際影響的成果：
1、在電擴散反應的連續模型、數值計算及其應用實踐上取得了一些領先的或探索性的結果。完全用有限元方法實現了數值求解Poisson-Nernst-Planck（PNP）耦合方程組，成為目前國際上建立了用連續模型實時實形（生物分子）研究分子水平上的電擴散反應過程的完整工具鏈的少數小組之一。有關在J Comput Phys等國際一流雜志上。數值工作受到put.Phys上的評論：“這些耦合方程的解對數值求解是一個巨大的挑戰最近盧等人提出一個有限元／邊界元雜交的方法求解了電擴散的PNP方程組?！?/p>
而他所做的關于有限元求解PNP的工作也受到審稿人的評價“文章介紹了鼓舞人心的通過求解PNP方程來模擬分子擴散反應的方法”，“文章解決的問題在應用上是重要的，從數學和計算的角度也是吸引人的”，“數值計算令人印象深刻”等。
另外，作為一個應用，盧本卓及其同事將PNP模型用于研究帶電底物濃度對其擴散反應動力學的影響，通過精致的計算方法，預測了若干新的物理化學效應。
2、與合作者發展了用表面求跡法對生物分子的Gaussian Surface生成表面網格的新方法及其應用軟件TMSmesh。據作者了解，這為該領域能對百萬原子量級的生物分子穩定生成高質量表面網格的唯一軟件，其計算的病毒分子比通常程序能處理的分子大一個量級以上。該工作在一定程度上克服了生物大分子表面產生的一個瓶頸問題，掃除了生物大分子數學模擬中的一個障礙。
而這項工作的研究價值和科學意義就在于，生物大分子的表面網格產生一直是一個公共難題。分子網格不僅在傳統的分子可視化、化學信息學、分子模擬等有重要的作用，而且在近年來興起的分子系統的數學模擬中也成為一個必需的要素。但傳統的分子網格生成方法和工具主要是為可視化和結構計算服務的，其質量不能滿足數學模擬方法，如有限元和邊界元模擬的要求。另外，此前已有的程序在處理大體系的表面和立體網格時都有困難，這造成了目前對大分子體系進行數值模擬的一個瓶頸。這項工作一定程度上掃除了表面網格產生的障礙，同時為有限元模擬所需的整個分子立體網格的產生提供了一個很有希望的基礎，這也是他們下一步的工作目標。
潛心向學不放松
如今的盧本卓，正在走著一條教學科研相結合的道路。自從踏上了這條道路，他年輕時候騎車遠行、登山旅游、揮汗擊球的時光大多便只能成為記憶了。早上坐一小時地鐵上班，晚上7點后回家，成了盧本卓每日生活的寫照。矢志不渝，潛心向學，已屆不惑之年的盧本卓，正在這一個個忙碌的日子里，書寫著無怨無悔的人生。
對于未來，盧本卓表示，計算將成為研究復雜生命現象的必需的、最基本的工具和方法之一。生物分子的計算與模擬研究30年來發展迅速，然而遠未臻于成熟，在真實分子生物過程及藥物設計研究上的應用和預測能力還相當有限。尤其是在處理具有多尺度特征的生物過程時所需要的大量采樣對計算提出極高的要求，目前仍然是一個困難，這大大限制了當前計算生物科學的可預測性。為克服這一困難，國際上展開了大量的研究工作，遍及計算機技術、生物物理模型和計算模擬方法等方面。
基于這樣的學術背景，他本人擬開展的研究項目之一是建立一套完整的“離子通道模擬器”，以解決與之相關的一系列計算模擬方法和軟件實現的問題。
在眾多生物學問題中，盧本卓及其同事選擇比較有代表性的也極具挑戰性的離子通道來作為研究體系。原因是生物膜上的離子通道是細胞進行新陳代謝與周圍環境進行物質交換的重要途徑，其結構和功能正常是維持生命過程的基礎，其基因變異和功能障礙與許多疾病的發生和發展有關。作為分子生物學里最集中的陣地之一，離子通道在生物學研究里有著不可抗拒的吸引力，因為他們是“生命的納米閥門”，就像晶體管控制計算機一樣。離子通道的一個最突出特征是離子通透的選擇性，既一種離子通道通常只允許某種特定的離子或無機小分子通過。通道內包含著擁擠的帶電粒子球、固定的和可移動的電荷，以及誘導極化電荷。在原子水平上直接模擬離子通道行為是相當困難的，或者就幾乎不可能。在分子生物系統間的時間、體積和濃度的尺度間隙可分別達到1012。所有的尺度間隙必須同時處理，因為生物在一瞬間同時處理了所有的尺度。
結構生物學家一直希望理論計算科學家們把計算建立在具有特異性的三維分子結構基礎之上，而不是抽象和簡化了的模型上。盧本卓他們仍將采用連續溶劑模型方法來處理整個膜和離子通道的多尺度多物理系統，建立一個原子分子水平上的“離子通道模擬器”的實用軟件包。由于技術和模型上的原因，目前國際上這方面的公用軟件工具還很缺乏。
計算機分子模擬技術范文3
ChemOffice全稱CambridgeSoftChemOffice是由美國劍橋軟件公司研究和開發的一款化學專業應用軟件。變得更加便捷?；瘜W應用處理軟件ChemOffice由ChemDraw、ChemFinder和Chem3D三個模塊組成。ChemDraw模塊是化學結構繪圖軟件，也是現在各論文期刊指定的格式；Chem3D模塊是分子模擬分析繪圖模塊，通常用它來計算分子軌道的形狀、分子表面積、顯示分子軌道，描繪化合物的結構；ChemFinder模塊是化學信息搜尋整合系統，用來建立化學數據庫、儲存數據及搜索化學數據庫。ChemOffice軟件是針對專業化學繪圖設計，可以繪制各式各樣的化學鍵、環、軌道等，可以與軟件中的數據庫鏈接，可以查出結構式；也可以將化合物名稱直接轉為結構圖，省去繪圖的繁瑣；還可以對已知結構的化合物命名，給出正確的化合物名稱。也可以利用此軟件所提供的樣板功能，大幅縮短制作文件所需的時間。
二、ChemOffice軟件有助于化學教學
（一）化學教學的主要輔助手段
隨著計算機多媒體技術的普及和現代化學應用軟件的開發，現在化學教育的授課方式已經告別了一盒粉筆、一塊黑板的傳統教學，現代化的教學輔助手段使越來越多的老師都體會到了用化學工具軟件來制作課件輔助教學的優越性。ChemOffice軟件在化學教學中可以優化教學設計，使原本枯燥的課堂變得生動起來。主要體現在以下幾點：
1.直觀、可視性
在化學教學中，關于化合物結構的講解一直是授課的一個重點，也是學生理解的一個難點。ChemOffice軟件不僅可以繪圖，還可以將化合物的結構立體化。這樣教師在備課的過程中不但不用準備模型，而且在授課過程中還可以根據需要隨時將平面圖和立體圖進行轉換，提高教學效率，能取得良好的教學效果。例如苯乙烯的結構式如圖1。利用ChemDraw模塊建立分子結構式后，再利用Chem3D模塊可以將轉化為三維圖形如圖2。三維圖形可以動態旋轉向學生展示不同方向的立體構象，便于學生直觀的理解。對于結構復雜的有機大分子，比如葡萄糖、纖維素、環糊精等，都可以采用ChemOffice軟件進行模擬展示，一看便知，易于理解。
2.有助于探究式教學
如何做好探究式教學，從20世紀中期開始就一直是國內外教育科學領域中的一個研究重點課題。探究式教學使學生不再被動地接受知識，提高學生的學習興趣和主動性。化學應用軟件ChemOffice有助于探究式教學的開展。例如有機化合物命名的學習。在學習過程中，部分學生對于命名規則還是理解不透徹。ChemOffice軟件的命名功能，可以幫助學生理解深入。利用ChemOffice化學工具軟件中的ChemDraw模塊在課堂上演示，繪制出化學結構式，單擊結構（Structure）菜單中的結構式轉化為名稱（ConvertStructuretoName），可以實現對結構式進行自動命名。同時，ChemOffice可以將化合物的系統名稱直接轉為化學結構式，輸入名稱轉化為結構式（ConvertNametoStructure）的命令后，輸入化學名稱，系統會找到對應的結構置于繪圖中。通過這兩個功能，學生能扎實的理解掌握結構復雜的化合物命名規則。對于陌生名稱也能查到結構式，理解能更深入徹底。利用ChemOffice軟件還可以鍛煉學生的波譜解析能力，例如，利用ChemDraw模塊可預測一些化合物的1H-NMR和13C-NMR譜。原理是以選取的分子基本結構為基礎，利用加和性原則來計算氫原子和碳原子的化學位移。在課堂上教師也可以通過圖譜模擬功能，直接演示各種化學物質的氫譜和碳譜，省去具體實驗的繁瑣。
3.使復雜計算簡單化，適用于高等教育
ChemOffice軟件不僅可以應用于初高中、大學本科的化學課程教學中，對于高等學校的碩博士研究生的研究型教育也非常適用。例如，ChemOffice軟件中的Chem3D模塊具備強大的計算功能。計算范圍包括鍵長、鍵角、二面角、分子間距離、分子所在空間的基本計算。還能結合MM2、MOPAC、Gaussian等程序進行分子力學和量子力學的計算，甚至對分子進行動力學模擬、化合物構象分析和過渡態能量優化。例如，可以通過ComputeProperties計算的出復雜反應，中間過渡態產物的一系列性質，從計算結果中可以得到偶極、動能、勢能、極化率、總能等一系列性質參數。ChemOffice軟件對于培養研究型的高等化學人才有著重要的意義。
（二）增強學生學習主動性和師生間的互動
課堂教學的過程是老師和學生互動的過程，但在很多情況下，學生由于缺乏學習的主動性，導致學生學習的積極主動性降低，學習興趣下降。ChemOffice化學應用軟件可以創設情景教學，有助于培養學生的學習興趣，教學效果事半功倍。例如，可以利用ChemOf-fice軟件中的ChemDraw模塊，模擬化學實驗，自主設計實驗方案、實驗過程，根據實驗流程要求，讓學生自己動手，根據實驗要求找出需要的化學儀器（例如圖3），進行拼接，繪制實驗反應裝置圖（例如圖4），教師只給予適當的指導和提示，學生的積極參與，加強了師生交流，活躍了課堂氣氛。學生體會到學會的知識是自己發現出來的，不是別人硬塞進來的。這種可以通過自己的探索和思考而獲得知識的教學手段，有利于學生思維的開發，學生在探索中學習體會到樂趣和成果后，將會更主動的學習，同時也能減輕教師負擔，提高教學效率。
（三）有助于促進計算機和化學專業外語的學習
對于高校的學生，采用ChemOffice軟件進行教學是實踐開展雙語教學模式最為理想的教學材料。ChemOffice軟件是由美國劍橋公司開發的外文軟件，各個模塊中所有的命令、模塊說明等都是使用純正、地道的英文。學生在使用這款軟件的過程，也是學習相關計算機和化學專業地道英語的一個過程。通過計算機演示等有關化學教學內容的滲透，傳授相關化學知識，利用軟件進行動態演示解決化學問題，揭示化學機理等，或是利用化學工具軟件進行自主學習。
三、結語
計算機分子模擬技術范文4
關鍵詞：模擬 結構重構 晶體結構 材料化學 材料科學課程
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
材料的結構，特別是晶體結構，是材料化學和材料科學課程中的重要內容，是理解材料物理、化學性質的基礎，因此在教學內容中具有非常重要的作用[1-3]。然而，與晶體結構相關的一些概念和理論大多源于數學理論體系，如空間群、對稱性和Wyckoff占位等，與幾何對稱有著密切的聯系，因此其理論體系非常抽象和難以理解[4]，需要學生具有很強的基礎理論功底和空間想象能力，但在現實教育教學中，學生往往很難具備如此深厚的理論基礎和理解能力，因此給課堂教學帶來很大的困難，這是目前材料化學和材料科學課程教學中的一個難題[5]。而要理解和掌握相關的晶體結構知識需要學生付出非常多的時間去學習和訓練，給學生帶來很重的學習負擔和壓力[6，7]。因此，開發和建立一種全新的可視化空間構型，將原子在三維空間中的分布明確地表達出來，是非常重要也是非常必要的，以此促進學生對真實晶體結構的深入理解和掌握[4，8]。通常有兩種方法可建立原子構型[4]，第一種是通過使用金屬或者塑料球，手工制作原子模型，這種方法適于建立簡單、易于構造的晶體結構，對于復雜、難以構造的晶體結構，往往要浪費大量的時間來制作，且很難運輸和使用，因此在實際教學中難以得到推廣。在此情況下，我們往往選擇第二種方法，即通過三維電子圖像和動畫對象的方法，將計算機軟件引入課程教學中。在材料科學領域中，MS（Materials Studio）是一個著名的晶體結構構造和模擬專業軟件[8]，大大提高了計算材料科學的可操作性[9-11]。MS給化學家、材料學家和工程技術人員提供了一個靈活、簡單可行的工作環境和強大工具，它可以輕松直觀地展示材料的結構和性能，并能解決化學和材料學領域中的一些極端問題。通過MS建立多個原子構型（復雜的碳的同素異構體結構）解決晶體結構及與對稱性和晶體學相關理論問題，以此實現MS在晶體結構中的應用，促進學生對晶體結構學習的興趣和熱情。
1 MS軟件介紹[12]
MS Modeling軟件是由Accelrys?公司開發的一款具有靈活操作環境的材料科學領域專業軟件，擁有世界上最先進的材料學模擬和構型技術，可以輕松構建出分子結構、晶體結構和各種復雜原子構型，通過高分辨的精細圖像技術顯示出來，并通過標準計算機工具箱進行控制操作和人機互動。Accelrys?公司開發了MS軟件，涵蓋了包括量子力學、分子力學、介觀模擬、分析儀器仿真和統計相關等多個領域的理論知識，并將它們綜合在一個簡單易用的模擬環境下，通過構造結構構型和可視化等處理，對相關科學數據加以描述和表達。
筆者采用MS可視化共享軟件Materials Studio Visualizer （version 4.0）對晶體結構進行模擬和重構，此軟件允許研究者對分子模型、晶體結構、表面、高分子和介觀結構進行修改、重建和多角度觀察。Materials Studio Visualizer同時包含一系列計算工具，如量子化、原子化、介觀化和統計化等，可以實現對材料進行不同粒子尺寸和時間范圍內的評估計算。另外，還包括對晶體結構和晶體生長方面的計算和評估。
2 原子構型建立過程
在已知晶體結構信息條件下，在MS中可以采用多種方法建立原子的構型。晶體結構的信息可以通過查找文獻（如Acta Crystallographica）獲得，也可以通過晶體結構數據庫（如Inorganic Crystal Structure Database，ICSD）軟件進行查詢。通過這些文獻或數據庫軟件，可以得到相關的晶體結構數據文件（如.cif文件），并直接導入MS軟件中獲得原子結構圖。另外一種方法則是直接在MS中調用已知的一些原子結構，但往往這些結構的種類比較少，很難達到我們的要求。因此，一般情況下，需要工作人員手工查詢相關的結構參數信息，然后根據MS命令構建原子構型和晶體結構。
MS中構建晶體結構一般需要如下信息：
晶格常數，如a，b，c，α，β，γ；
晶體結構所屬空間群，或者空間群號；
晶胞中的原子占位，如原子類型及相關的坐標x，y，z。
選用碳的同素異構體作為研究對象，研究MS構型建立的過程，主要包括金剛石、石墨、碳納米管和富勒烯幾種結構類型。筆者以金剛石晶體結構建立過程為實例，其構型建立過程如下：
首先，獲取金剛石的相關結構參數信息（見表1）。打開MS軟件，在菜單欄中找到Build命令，通過Build Crystal命令打開一個相關的晶胞構建對話框，手工將結構參數輸入相應的位置，如通過空間群號獲得相應的空間群類型，并輸入晶格常數，最后得到一個相應的不包含原子的空間圖框。建立空間圖框后就可以在空間中添加相應的原子。在本例中，僅需要添加一種原子類型（碳原子）即可，但對于多原子種類的合金來說，需要添加不同類型的原子，但基本操作過程是一樣的，所以本文不再贅述。添加原子時，需要根據對稱條件，對不同對稱位置上的原子進行多次添加，如果僅有一種原子占位類型，則添加一次原子即可，如所選示例的金剛石結構。在添加原子的對話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應的晶體結構示意圖，如圖1所示，展示了一個完美的金剛石球棍模型圖。采用相同的構建方法，可以獲得其他碳的同素異構體的相關原子結構，甚至很復雜的結構也可以得到完整的描述，如富勒烯和碳納米管的結構（如圖2所示）。對于富勒烯，通常只是了解其類似于足球的一種結構特征，但一般情況下很難想象其在空間中的其他分布規律，但通過構建原子模型，可以很容易地看到，這些足球狀的富勒烯原子團，又在空間上形成了一個大的面心立方結構，如圖2a所示，大大提高了結構特征的表述能力。因此，通過結構模型重建可以簡單易懂地對相關結構特征和規律進行描述，能夠極大地提高學生對晶體結構學習的興趣和熱情。
表1 金剛石結構的相關信息[13]
圖1 金剛石原子結構圖
a富勒烯結構模型 b碳納米管的原子結構模型
圖2
除了構建原子模型之外，MS還可以對原子構型進行多視角觀察和改變原子表現形式等操作，如圖3所示。圖3a給出了石墨原子構型的側視圖，可以看出原子呈層狀排列，每一層原子以六邊形的形式密排在一起（可以用不同顏色進行標識）。而圖3b則展示了石墨原子結構的俯視圖（沿c軸），可以清晰地看到每一個原子層的原子排列規律以及原子層的堆垛順序類型等信息。由此看出，可以通過改變模型視角來分析不同結構原子面的原子分布規律和堆垛類型等深層次的結構信息，而且簡單明了、清晰易懂，有利于學生深入理解晶體結構的取向、對稱性等方面的基礎理論信息。
a側視圖 b俯視圖（沿0001面）
圖3 石墨的原子結構模型
3 結束語
通過以上分析可知，可以在MS中直接構建晶體結構模型，包括復雜的晶體結構。對這些重建的晶胞結構可以很簡單的進行編輯和優化，并在三維空間中進行多視角觀察和分析，在很大程度上再現了晶體結構的真實圖像，大大提高了學生對晶體結構的理解和對相關結構信息與規律的有效掌握，優化了晶體結構的教學效果。
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計算機分子模擬技術范文5
【關鏈詞】計算機發展趨勢 新型計算機
一、 前言
計算機的發展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。自從1944年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術迅猛發展，傳統計算機的性能受到挑戰，開始從基本原理上尋找計算機發展的突破口，新型計算機的研發應運而生。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學習以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術革命，對人類社會的發展產生深遠的影響。
二、智能化的超級計算機
超高速計算機采用平行處理技術改進計算機結構，使計算機系統同時執行多條指令或同時對多個數據進行處理，進一步提高計算機運行速度。超級計算機通常是由數百數千甚至更多的處理器(機)組成，能完成普通計算機和服務器不能計算的大型復雜任務。從超級計算機獲得數據分析和模擬成果，能推動各個領域高精尖項目的研究與開發，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計算機接近于復制人類大腦的能力，具備更多的智能成份.方便人們的生活、學習和工作。世界上最受歡迎的動畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級計算機上完成的。日本、美國、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運算1萬億次的超級計算機的國家，超級計算機已在科技界內引起開發與創新狂潮。
三、新型高性能計算機問世
硅芯片技術高速發展的同時，也意味看硅技術越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發新型計算機，計算機的體系結構與技術都將產生一次量與質的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領域。
1.量子計算機
量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態.使信息沿著聚合物移動.從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。
無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。
2.光子計算機
光子計算機是利用光子取代電子進行數據運算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。
3.分子計算機
分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、分子化學反應算法等幾種類型。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進人實用階段。
4.納米計算機
納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機?！凹{米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品?，F在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發揮電子開關、放大和晶體管的功能。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。
我們相信，新型計算機與相關技術的研發和應用，是二十一世紀科技領域的重大創新，必將推進全球經濟社會高速發展，實現人類發展史上的重大突破。科學在發展，人類在進步，歷史上的新生事物都要經過一個從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學家們的不斷努力，未來的計算機一定會是更加方便人們的工作、學習、生活的好伴侶。
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計算機分子模擬技術范文6
【關鍵詞】技術 課堂 提高 增強 激發 突破
當前，教育技術飛速發展，化學模型、實物、化學實驗等常規化學教學媒體以及多媒體計算機、錄象、投影等現代教學媒體都廣泛應用于化學教學?，F代技術不僅能把文字、圖像、音像、動畫傳播媒體集于一體，并賦予教與學信息傳播的交互功能，而且應用計算機網絡還能跨越時空來共享教學資源，使教師和學生能隨時隨地獲取各種化學知識，提高教學資源的利用率。因此運用現代技術開展教學，是現代教育的一個重要發展趨勢，用它來輔助化學教學，能使教者瀟灑自如，學者輕松愉快，進而全面提高課堂教學的有效性。
一、 運用現代技術，有效激發學生學習興趣
在化學課上，若能恰當地利用投影、幻燈、錄象或計算機等媒體，可以充分激發學生的學習興趣和求知欲望，發揮寓教于樂的學習優勢，使學習變得輕松愉快，會收到很好的教學效果。例如，在講到原子結構時可以用不同顏色、不同大小的小球分別代表原子核和核外的電子，然后制成動畫，摸擬原子核外電子的運動，也可以用不同的顏色、不同大小的小球分別代表原子和最外層電子模擬離子化合物或共價化合物的形成過程，通過閃爍的方式及疊加的手段展示電子云的特征。這樣通過多媒體的輔助就可以使抽象的東西形象化，使靜態的理論動態化，從而化難為易，便于學生掌握，使學生有興趣學。
二、 運用現代技術，有效突破課堂教學難點
中學化學教學中運用電腦多媒體技術，可對不同的化學內容進行模擬防真、創設情景，即所謂化不可見為可見、化靜太為動態、化抽象為直觀、化復雜多變為簡潔明了，極大地增強了中學化學課堂教學的表現力。具體如下四點：
1、化不可見為可見
一些難以實現的實驗，如CO中毒實驗，干冰降雨，氫氣與空氣混合氣體的爆炸實驗等；錯誤實驗操作的后果，如水倒入濃硫酸中、撤掉制取氧氣的裝置時先撤去酒精燈，等等。這些實驗在傳統教學中只能靠教師口頭講解，學生憑空想象，現在則可利用相應的多媒體課件來演示，讓學生直觀、生動、形象地了解到這些知識，加深學生對這些知識的理解，同時也提高了學生的學習興趣。
2、化靜態為動態
計算機的模擬功能可使抽象內容形象化，而且可使靜此內容動感化，為學生創造生動、活撥、直觀、有趣的教學條件。比如在水的凈化生產過程、化肥的生產和利用、工業制取硫酸、煉鐵、煉鋼等化工生產過程的教學時，可選用或制作相應的課件來輔助教學，利用課件將分散、孤立的設備連接成完整的系統的設備，將靜態的生產流程變為動態的生產流程?？梢?，通過視頻剪輯或動畫模擬防真各物質的工業生產流程，可以在課堂上提供直觀、形象、生動的教學，體現出傳統教學無法比擬的優勢。
3、變抽象為形象
化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及變化應用的一門自然科學，其概念及原理大多較為抽象。物質的微觀結構既看不見，有摸不著，且化學變化又是在原子的基礎上重新組合的結果。因此單靠語言和文字等傳統的教學手段描述，學生較難理解和掌握。通過計算機軟件進行動畫模擬，能生動形象地表現分子、原子等微觀粒子的運動特征，變抽象為形象，讓學生直觀形象地認識微觀世界，更容易了解化學變化的實質，理解化學原理。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，在以往的教學中這些分子的分解只能用簡單的球棒模型或靠學生的想象來理解。今天化學教師則可選用或設計相應的多媒體課件來演示這些分子的空間構型，解剖分子的內部結構，使學生能從多個角度仔細觀察、充分比較各類分子的結構特征，深化學生對這些抽象的分子知識的認識和理解，從而大大地提高了課堂教學質量，吸引學生的興趣。
三、 運用現代技術，有效提高實驗教學效果
演示實驗是化學課堂教學非常重要的一個環節，演示實驗的成功與否將直接影響教學進度和教學效果。目前，做化學演示實驗所用的儀器多為試管，一個明顯的實驗現象，不能保證每個學生都能觀察清楚，時間長了，學生就失去了學習的興趣。傳統的方法是教師在前面做，學生在下面觀察，前排的學生還能勉強看到，但后排的學生幾乎看不清楚，以至使學生失去對實驗的興趣，產生厭煩情緒。若把這些實驗用投影儀放大或進行實物投影，即能讓學生清楚地看到實驗的全部過程，又利用學生"好奇"的心理，激發其學習的積極性。還有一些實驗，無法在課堂直接演示，學起來比較抽象，學生既要理解課本中的文字說明，又要發揮想象，有時也不易弄清反應的原理，但利用多媒體開發軟件，將這些抽象復雜不易弄清的內容制成課件，在短時間內從多個角度、多層面進行展示，就會使知識由抽象變成形象，使學生易懂易掌握。
作為一名中學化學教師，培養增強信息技術素養的目的在于能充分利用教育信息資源并將它與化學教學有機運用，即將教育信息技術應用到學科教學中，利用信息技術對學科教學的內容、方法、手段和管理等方式進行改革，開發和組織新的教學模式。在新課程背景和信息技術環境下，教師不僅是學生意義建構的促進者、課程的開發者、信息資源的設計者和查詢者，更是學生學習的引導者和幫助者。教師是一個研究者，更是一個終生學習者。因此，在課堂教學中，教師必須把現代技術和其它手段相結合，精心設計每一堂課，把現代技術的長處與教師在傳統課堂教學中的長處相結合，充分實現教學的完美。
參考文獻
[1]張雨春.如何培養教師的信息技術素養[J].上海教育2001，（14）：21-23
