计算机分子模拟技术精选(九篇)

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第1篇：计算机分子模拟技术范文

本书是一部教读者实际操作原子的计算机模拟的实用教材，旨在使读者理解、设计、运行并分析他们自己的原子的计算机模拟结果。本书作者们在指导学生从事原子计算机模拟研究以及教学活动时产生了自己动手写一本教材的打算，期望以此为读者提供设计和执行任何包括原子模拟研究计划所需要的实用知识，一部展示计算机模拟的最佳实践范例和实用指南。

作者们把全书内容分成5个部分。第1部分涵盖了为理解原子计算机模拟所需要的大学高年级水平的基本物理和化学知识以及原子模拟技术的基本概念，含第1-4章：1. 原子，分子和晶体；2. 化学键；3. 化学反应；4. 究竟计算什么？。第2部分描述原子模拟的基本技术，含第5-6章：5. 总能量最小化；6. 分子动力学和蒙特卡罗。第3部分描述分子力学和电子结构技术理论，这一部分技术性比较强，具有足够的深度使读者能够理解如何做模拟以及不同方法中的近似是什么，含第7-9章：7. 计算能量和力；8. 电子结构方法； 9. 详细介绍密度泛函理论。第4部分强调了设计一个实际做模拟的计划，包括如何选择原子的合适坐标，以及如何仔细地规定和检验特殊的模拟，含第10-13章：10. 项目计划；11. 坐标和模拟单元；12. 基本要点；13. 试验。第5部分详细分析了如何取出一个模拟代码生成的数据以及如何产生有价值的数据，含第14-18章：14. 查看输出文件；15. 利用所有的数据做些什么？16. 可视化；17. 电子结构分析；18. 与实验比较。书末给出了两个附录：A.UNIX；B. 科学计算，补充介绍了一些课文中用到的具体程序问题。

读者在阅读时应该至少要利用一个具体的原子计算机模拟代码，实际动手去做实验，分析所得的结果，评估结果是否正确，发现和纠正错误，从结果中提取相关信息。作者为本书提供一个网页：http：///。在那里作者们写了一些博客，讨论当前感兴趣的一些最新的文章以及一些练习。而且内容不断更新。对于从事原子计算机模拟的研究人员和学习相关课程的研究生本书有很好的参考价值。

第2篇：计算机分子模拟技术范文

论文关键词：计算机辅助药物设计；现代教育技术；教学改革

计算机辅助药物设计(computeraideddrugdesign，cadd)是药物化学学科的一个分支，该项技术的高速发展和广泛应用使其成为药学科研工作者必须掌握的技术之一。计算机辅助药物设计课程是药物化学的系列课程之一，其特点是专业性强，所涉及的内容、方法及应用软件更新很快；课程内容多涉及生物大分子和有机小分子的三维结构，如何将内容生动、形象地呈现给学生是教学过程中需要解决的问题。为充分调动学生主观能动性，提高学生兴趣，培养学生分析问题和解决问题的能力，笔者在cadd课程教学过程中引人多种现代教育技术和教学方法，不断推进cadd课程教学的革新。

本文主要对作者在计算机辅助药物设计课程教学中综合应用多媒体、分子模拟软件、录屏软件、dvd视频等现代教育技术的经验进行介绍，并对在cadd教学过程中推行改革的几点体会进行总结。

一、计算机辅助药物设计课程教学改革探索

1．多种现代化教育技术手段的应用

笔者所在的药学院自2001年在本科生及本硕连读长学制学生中开设cadd课程，其教学模式的发展如其他课程一样，经历了从传统到现代的过程。课程早期采用“粉笔加挂图”教学模式，以传统的黑板板书为主，复杂的内容用挂图表达。后来有了幻灯机，部分分子图形可以用幻灯机放映，使学生对分子图形有了相对形象的了解。到上世纪9o年代后期，随着计算机microsoftofifcepowerpoint软件在教学过程中被普遍使用，cadd课程教学模式进入了计算机多媒体时代。授课时，教师可以方便地将课件内容显示在教室的大屏幕上予以讲解。其优势是一些分子图形的内容可以比较形象的表达，但缺点在于图片依然是“死”的形式，不能显示生物大分子和药物小分子相互作用的动态过程，不足以形象地体现出计算机辅助药物设计的特点。为了解决这个问题，并充分挖掘现代教育技术的潜能，笔者在cadd课程教学中对教学方法进行了改革。

现代教育技术除常用的计算机、多媒体和网络技术等，还包括摄像机、dvd／vcd机以及其他av(音频和视频的总称)设备等。笔者在课堂教学过程中，不断摸索将现代教育技术恰到好处地应用于计算机辅助药物设计课程的方法，促使新技术的引入起到激发学生兴趣、提高教学效果的作用。笔者挖掘现代教育技术潜能具体的做法包括以下几个方面：

(1)应用pymol软件图形化地表达分子动态过程

pymol是一个用于显示和分析分子三维结构的程序，由warrenlyforddelano编写，并被delanoscientificllc软件公司商业化。应用这个软件，可以向学生演示构建小分子的三维结构以及用球棍、飘带等多种方式显示分子三维结构的方法。另外pymol还可以对蛋白质三维结构进行编辑和修改，研究蛋白质和小分子相互作用的过程，并以三维图形的形式显示分子相互作用的动态过程，使原本抽象的教学内容能够很直观地呈现在学生面前。笔者在课程的各个章节中均穿插使用pymol软件对分子三维结构进行模拟，图像色彩鲜艳，结构形象生动。由于大部分学生是第一次接触分子模拟软件，对此种丰富生动的图形有很强的新奇感，激发了学生对课程的强大兴趣。因此pymol软件的引入，在整个教学过程中起到了变化教学刺激、维持学生注意力的良好效果。

(2)充分利用网络资源

在网络尚不发达的年代，cadd课程内容有一定的局限性——只能以介绍理论为主，相对抽象和枯燥，不利于培养学生的实践能力和解决问题的能力。随着网络技术飞速发展和网络资源的不断丰富，cadd课程的教学在时间和空间上都得到了很大的扩展。在课程的内容上，笔者给学生介绍大量与计算机辅助药物设计相关的网站资源，包括各种网页、数据库和计算模拟软件；让学生通过完成课后作业的形式利用这些资源，并自己不断扩充课堂知识，从而把课堂教学效果延续到指导学生今后的工作，使学生的学习能力和素质较之以前明显提高。后来的调查结果显示，学生对这部分的内容是非常感兴趣的。

(3)绘声绘影12．0软件的应用

计算机辅助药物设计课是对药学专业本硕连读六年制学生开设的一门选修课，根据每届学生人数不同，选修人数多则上百，少则六、七十人。由于场地和教师人员的限制，不可能让每个学生都进人工作站进行实地操作。为了使学生对工作站的基本情况有所了解，笔者用摄像机录制了介绍本院工作站的视频文件，并用绘声绘影12．0软件加以编辑，配上片头和音乐，自制成比较有趣的dvd视频教学片，在课上给学生播放。学生观看后，对工作站的方位和硬件一目了然。还有一些学生观看后，饶有兴趣地要求参加工作站的研究工作。

(4)discoverystudio2．5分子模拟软件和camtasiasudio6．0录屏软件相结合的尝试

计算机辅助药物设计是一门实践性很强的学科，最佳的授课模式应该是在理论课进行的同时开设实验课，使学生有机会到计算机辅助药物设计工作站的实验室里亲自动手操作。但计算实验室与普通实验室不同，需要特殊的空间，需要大量的计算机，更需要昂贵的药物设计软件。受空间和经费的限制，往往短期内难以建成符合要求的实验室。另外对教师而言，只有在经过系统的培训和长期的实践基础上才有能力来带这种特殊的实验。如何使大量的学生能够在教师的指导下到工作站进行实际操作，多年来一直是困扰大家教学的难题。为了在经费有限的条件下解决这个问题，使整班学生都能较快了解软件的功能及操作，笔者在多种现代教学方法中做了许多摸索，最终采取将discoverystudio

2．5分子模拟软件和camtasiasudio6．0录屏软件的相结合使用的方法。

discoveyrstudio2．5(简称ds)软件是基于win—dows／linux系统的分子模拟和计算软件平台，功能很多，可以完成大多数课堂教学的计算内容，但是操作起来相对复杂。由于学生人数多，空间和时间都受限制，即使教师将学生分成多组，一遍遍地做演示和讲解也是不现实的。受网络教育的启示，笔者采取用录屏软件将教师在pc机上操作录制下来制成教学片的方法来进行实验教学。笔者先后尝试了多种录屏软件，最后选用功能较好、录制效果理想的camtasiasudio6．0软件。在专门的录音室里，教师在自己的pc机上应用discoveyrstudio2．5软件演示教学内容的操作过程，同步使用camtasiasudio6．0软件的录屏功能，将所有的操作步骤和讲解内容都很清晰地录制下来。之后，再对这些录制好视频文件进行加工，制成一个个不同主题的实验教学片，拿到课堂上给学生播放。这种直观的演示，不仅大大节省了实验室空间和时问，减少了教师不必要的重复性工作，学生容易接受和理解，学得轻松愉快。学生在后来的问卷调查中表示对这部分的内容很感兴趣，印象深刻。其效果可谓“教得轻松，学得愉快”。

在上述实践过程中笔者深刻体会到，灵活运用现代化的教学手段，充分挖掘其潜能，可以为教学工作提供很大便利。不但可以激发学生的学习兴趣，还能帮助解决师资缺乏和实验设备不足的问题，使教学效果明显提高。教师通过将网络、音频、视频等技术手段引人教学过程，把授课内容制成包括动画在内的各种视听资料，使教学内容能够以更加形象、更加逼真的方式传授给学生。这种方式较之传统的“板书+教科书”的授课方法更受学生的欢迎，同时，学生对授课内容的记忆也更加深刻。

孔子说：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。有教育学者认为：“在教学中创设良好的学习环境，是激发和引起学生学习动机、学习兴趣的有利手段，一旦激发起来，学生就会产生学习的强大内趋力，主动去探索和学习”。教育最终目的是“授之以渔”，故对教师而言，在课堂上启迪学生积极思维和主动学习是很重要的工作。现代教育技术的应用，可以直接指导学生在获得知识的过程中主动观察、思维和想象，引导学生在学习过程中分析现象，挖掘本质，最终解决问题，这些过程都可以加深学生对知识的记忆。现代教育技术通过对学生产生多种感官刺激，有效地激发学生的学习兴趣，使课堂的气氛轻松愉快，有利于教学质量的提高，有利于学生思维的发展，提高学生的素质。

二、传统教育与现代教育技术的有机结合

“教学的进步是要不断地掌握众多的教学模式和不断地提高有效使用这些模式的能力”。笔者在进行cadd教学改革的过程中，深感必须把现代教育技术与传统教学手段有机地结合起来，才能获取课堂教学的最佳效果。为此，笔者进行了三项改革。

1．及时更新教材

计算机辅助药物设计学科具有技术发展快、内容和软件更新快的特点，这使得其课程存在一个突出问题，即教材的更新赶不上学科的发展。为了应对这项挑战，笔者采取年年更新教材的做法，在每年开课之前都对教材内容进行必要的补充，为学生复印教材的补充材料。相应地，每年也都对教学内容进行调整，尽可能地将学科的新进展融人到教学内容中，保证学生能在课上接触到最新的知识。

2．改革授课方法

教学过程中，如何使学生在学习中发挥主体作用是一个重要的问题。教师在教学中应该充分发挥学生学习的主动性，激发学生对教学活动的参与，实现师生之间的互动。problem—basedlearning(pbl)教学法是目前世界流行的以问题为导向的教学方法，是一种以学生为中心的教育方式。实践证明，pbl教学可以很好地调动学生积极性，但必须有多个教师才能完成对学生的引导和带着问题学习的过程，同时需要学生投入很大的精力去查文献和准备讨论的内容。为此，笔者在cadd教学中借鉴pbl教学法，并对其进行改良，在每堂课都设计一些有关实际操作和药物设计的问题，引导学生积极展开讨论，启发学生的思维，使学生由灌输式的学习转变为积极、主动的学习。同时教师在教学实践中灵活、理性地利用现代教育技术，最大限度地调动学生的积极性，一起投人教学改革中，使教学效果获得很大提高。

3．革新考试方法

为培养学生的综合素质和创新能力，在考核方式上笔者没有采取传统的闭卷考试的方法，而是采用了多样灵活的形式。学生成绩(百分制)由以下几部分组成：以期末开卷考试(50％)和平时随堂练习成绩为基础分数(20％)，加上记录出席实验课情况的基本考勤分(20％)和平时上课积极参加课堂讨论的课堂表现分(10％)，即为学生最终的课程得分。这样不仅减轻了学生的负担，而且促进学生分析问题和解决问题能力的提高，把促使学生主动学习的思想贯穿在整个教学过程中，而不是仅在学期末的死记硬背，更有助于学生养成主动学习的习惯，有利于学生整体素质的提高。

三、应用现代教育技术要求教师再学习

目前国内各学校普遍配备了较为现代化的教学设备，但拥有现代化的教学设备，并不代表就能够发挥现代教育技术手段的优势。还需要广大教师学习和研究现代教育理论，充分使用现代教育技术。“教师需要跟上当前理论和研究的发展，并理解这些发展对课堂教学实践的意义”。

随着社会的发展和科学的进步，人人都面临终生教育的问题。教师作为教育的先行者，首先要更新知识更新观念，做现代教育技术的学习者、使用者和传播者；要提高教学质量、激发学生的学习兴趣，教师首先要提高学习兴趣；要培养自身创新意识，在教学过程中不断地尝试和创新，充分学习和利用现代教育技术。为此，笔者通过多种渠道来学习和掌握现代教育技术。首先，积极参加学校、社会组织的各种教学技术培训班，紧跟同行步伐，不落伍；此外，还充分利用寒暑假等业余时间，研究开发各种软件的使用方法，学以致用，及时地在课堂上进行应用和演示。在学习和应用这些技术方法的过程中，笔者体会到了无限的乐趣。

与此同时，教师又是现代教育技术的受益者。现代教育技术为教师提供了理想的教学平台，实现了教学资源的多样化，集p文字、动画、分子图形、分子模拟和dvd录像等各种表现形式于一体，使教学内容更丰富和更直观，有利于学生对知识的获取和记忆，使教学内容变得具体生动，使过去难以表达到的内容轻而易举的展现。现代教育技术的出现，为教师施展才华提供了新的契机。教师把新技术应用于教学和课堂组织时，会感到非常自信和方便。如果不把握住这一机遇，就会成为时代的落伍者引。

四、现代教育技术应用效果的评价

为了听取学生的建议，更好地推进cadd课程教学改革，笔者在2009年选修cadd课程的学生中展开了问卷调查。当年选课学生为60名，有56人参加答卷。其中与本文内容相关的统计和分析结果如下：

1．学生的学习兴趣

对于选修cadd课程的目的，有13人(23．2％)是因为学科内容与学生的研究课题有关，或希望毕业后往这个方向发展；而多达36人(64．3％)则只是感兴趣，为了多学一些与药学有关的知识。说明学习兴趣是促使学生主动学习的重要因素。

2．现代教学技术帮助学生达到预期的学习效果

对于是否达到预期学习效果，共45人(80．3％)认为完全达到和基本达到，认为说不清的10人(17．9％)。学习效果受到学生的肯定。

3．对计算机辅助药物设计实验教学环节的建议

有44人(78．6％)希望开设真正的实验课，学生自己上机实际操作；5人(8．9％)不希望开实验课，但希望到工作站现场去看教师演示；18人(32．1％)建议再录制一些其他实验方法内容，增加模拟实验课的学时，减少理论课的学时；没有一个学生赞成只讲理论课，取消实验课环节。上述数据说明大多数的学生还是希望培养自己的动手实践能力，以适应今后的社会发展的要求。

4．对整个教学过程感兴趣的环节

第3篇：计算机分子模拟技术范文

化工设计在化工生产中占据极其重要的位置，是化工企业的立足之本。伴随计算机技术的飞速发展，它在化工设计中的应用由最初的局部辅助发展到如今的全面辅助，在化工设计中扮演着越来越重要的角色。借助于计算机技术，人们不光能够进行绘图、工艺路线设计、设备计算等工作，还能完成对环境、经济和社会效益的评估，因而化工设计又是一项系统工程。当前化工设计中通过使用图形软件AutoCAD系统，可以代替图板和计算器并依照相应制图标准来完成化工机器图、化工设备图、工艺流程图等的绘制。传统的纸质图纸设计存在改动麻烦且只能进行二维空间上的绘画的不足，利用计算机辅助制图(CAD)就能有效弥补这方面的缺陷。不仅能够方便快捷的绘图和编辑与修改，显著提高设计质量；而且将图纸拓展至三维空间，减低遗漏、片面等绘图错误，缩短设计周期，加快工程建设进度，最终节省工程投资，节约成本。可以说利用计算机的辅助计算是专业化工设计人员必备的一项基本技能，他能保质、保量的完成化工生产中的化工设计。

2计算机技术在化工模拟设计中的应用

化工模拟设计的主要工作内容是通过数学模型将一个以许多单元过程所组成的化工流程准确表现出来，应用化工模拟设计能显著提高化工设计的品质与效率。在实际的化工生产中，化学实验和化学反应测试非常重要，但由于存在一定程度上的不可预知性，需要我们逐一的去尝试，将会消耗巨大的人力、物力与时间，不利于化工生产的进行。而化工过程涉及到的模拟包含结构分子模拟或微观过程以及研究宏观过程的流程模拟，根据反应物的性质，矫正副反应系数，通过化工模拟设计准确且快速的预测化学分析条件，能在节约时间的同时大幅提高生产效率，为企业的发展奠定良好的基础。如今Aspenplus和ProII等不但能够进行物料与热量衡算，还可以进行单元过程计算与设计方案的优选或优化，在制药、石油炼化、化学工程等过程设计领域中获得广泛应用。常见的化工工程流模拟图如图1所示。伴随计算机技术的快速发展，设计、控制并优化现有的化工工艺过程，是当前化工企业需解决的重点。而作为过程开发、工业设计及生产优化控制的有力工具，化工流程模拟与优化技术在生产设备的参数优化及增产降耗上发挥了巨大的作用。

3计算机仿真技术在化工生产中的应用

计算机仿真是一门为系统分析、综合、研究、设计和对专业人员的培训提供一种先进技术手段的综合性技术学科，在化工领域中占据了日益重要的地位。通过化工仿真，能够形象的将化工生产中流程中设计的阀门、管道、调节器、分析仪器等等化工设备更为逼真的再现，让化学工业领域的工作者们更好的进行模拟与仿真，从而使设计的化工生产系统更好的为化工行业服务。将计算机技术与化学工业相结合，在化工生产前进行动态仿真模拟，为实际化工生产进行操作优化和技术改造提供了有力依据。

4结束语

第4篇：计算机分子模拟技术范文

    一、近似计算在静态分析中的应用

    在电子技术中应运中,近似计算贯穿其始终。然而,没有近似计算是不可想象的。而精确计算在电子技术中往往行不通,也没有其必要。尽管近似计算会引入一定的误差,但这个误差控制得好,不会对分析其它电路产生大的影响。所以关键在于我们如何掌握,特别是如何应用近似计算。

    在工作点稳定电路中的应用要进行静态分析,就必须求出三极管的基电压,必须忽略三极管静态基极电流。这样,我们得到三极管的基射电子的相关过程及结论。

    二、纳米电子技术急需解决的若干关键问题

    由于纳米器件的特征尺寸处于纳米量级,因此,其机理和现有的电子元件截然不同,理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决,如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等。尽管如此,纳米电子学中急需解决的关键问题主要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面,其主要表现在以下几个方面。

    (1)纳米Si基量子异质结加工

    要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺度,最直截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。其中,不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的,构建成纳米尺度的量子势阱,这种结构称作“半导体异质结”。

    (2)分子晶体管和导线组装纳米器件即使知道如何制造分子晶体管和分子导线,但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜把分子元件排列在一个平面上;另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装。尽管,Purdue University等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展,但该技术何时能够走出实验室进入实用,仍无法断言。

    (3)超高密度量子效应存储器

    超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件,它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是,有了制造纳米电子逻辑器件的能力后,如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。

    (4)纳米计算机的“互连问题”

    一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局,而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”。换句话说,就是计算结构中信息的输入、输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一个很小的空间内,并极快地使用和产生信息,需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件,而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就现有传统计算机设计的微型化而言,由于电线之间要相互隔开以避免过热或“串线”,这样就有一些几何学上的考虑和限制,连接的数量不可能无限制地增加。因此,纳米计算机导线间的量子隧穿效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。

    (5)纳米 / 分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境

    当前,分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展,利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境,并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题,目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。

    三、交互式电子技术手册

    交互式电子技术手册经历了5个发展阶段,根据美国国防部的定义:加注索引的扫描页图、滚动文档式电子技术手册、线性结构电子技术手册、基于数据库的电子技术手册和集成电子技术手册。目前真正意义上的集成了人工智能、故障诊断的第5类集成电子技术手册并不存在,大多数电子技术手册基本上位于第4类及其以下的水平。需要声明的是,各类电子技术手册虽然代表不同的发展阶段,但是各有优点,较低级别的电子技术手册目前仍然有着各自的应用价值。由于类以上的电子技术手册在信息的组织、管理、传递、获取方面具有明显的优点。

    简单的说,电子技术手册就是技术手册的数字化。为了获取信息的方便,数字化后的数据需要一个良好的组织管理和提供给用户的形式,电子技术手册的发展就是围绕这一过程来进行的。

    四、电子技术在时间与频率标准中的应用

    时间和频率是描述同一周期现象的两个参数,可由时间标准导出频率标准,两者可共用的一个基准。

第5篇：计算机分子模拟技术范文

关键词：科学教学；多媒体；反思

新课标着重于培养学生创造力、创新能力，培养学生的科学素养，教会学生自主学习。新一轮课程改革把转变学生学习方式作为重要的内容与标志，在具体的教学中，必然会带来从教学目标和技能到过程和方法的全面变革。教学方法使教学的重点由单纯的传授知识技能、技巧转向开发学生的智力，培养学生的能力，提倡高效课堂。而CAI的特点是直观、生动、形象，能使抽象的教学内容形象化、具体化，本质化，帮助学生理解，有利于学生的生成。随着多媒体技术在课堂上的不断运用，优化了教学结构，为新课标的实施提供了一个理想平台，并且随着计算机辅助教学手段不断开发和在教学实践中的深入应用，使课堂焕发出前所未有的生命力。

一、多媒体辅助科学教学的优势所在

1.有利于提高学生的学习兴趣

俗话说，兴趣是最好的老师。有了兴趣，学习才有自觉性，才有动力，才能心情愉快地去完成学习任务，学生科学创新意识和创新能力的培养目标之一就是要对科学有好奇心，不满足现有知识，有强烈的求知欲，能积极主动地思考问题。如在学习原子的核式结构时，由于内容比较抽象，学习难度较大，若采用传统讲授法，又是满堂灌，教师不断地解释，学生被动地听，学习气氛枯燥乏味，势必降低学生的兴趣，影响教学效果，但现在运用电教手段，教学就直观、生动多了，课件就是一幅生动精美的动画片，把原子的微观结构、原子核的微观构成、电子在核外的绕核高速运动动态地展示出来了，漂亮的界面牢牢地吸引了学生，学生个个都睁大好奇的眼睛，看得目瞪口呆，这种微观世界的美深深地震撼着学生，就如当初深深地震撼着我们教师一样，使学生兴趣盎然，印象深刻，很好地帮学生克服了学习上的困难。CAI的这种功能和效果是任何教师口头上的说教和图片无法达到的。正是由于CAI具有图、文、声、像并茂这样的特点，所以，它能为学生搭建一个形象化的、动态的教学平台，提供理想的教学环境，使学生从中获得知识。多媒体的使用使课堂教学变得更加丰富多彩、生动活泼，也使学生在学习过程中有了新鲜感和轻松感，能在愉悦的心境中去理解和掌握知识内容，体验了学习科学的乐趣，使教学的科学性和艺术性得到统一，从而激发了学生的求知欲和浓厚的学习兴趣，增强了科学课的凝聚力和吸引力，促使学生积极主动地学习。

2.有利于突破教学难点

学生认识事物的特点是：从具体的形象思维向抽象逻辑思维过渡，但思维还与感性知识直接相联系，仍需具体的形象来支持。而CAI教学可以靠着生动的画面、靠着对要强调的内容的闪烁、靠着对关键部位的放大及它的强大的二维和三维的图像处理和动画模拟创造出良好的思维情景。利用这一特点可以化抽象为形象，化静态为动态，将微观过程宏观化，化枯燥为生动，打破学生学习上的障碍，有助于突破教学难点。例如，初二科学的第一章《物质与微观粒子模型》是学生刚接触到的微观理论部分，分子作为微观粒子，看不见、摸不着，单靠教师讲解学生很难接受，而以往的表格、挂图和模型都不能把分子动态地表示出来，但这部分制成多媒体课件后，把氧分子演绎成 分子模型，把二氧化碳分子演绎成 分子模型，把一氧化碳分子演绎成 分子模型，并且把微观粒子运动的表象，把物质的构成微粒、分子与原子的关系、分子在温度改变条件下运动速度的改变、分子间的距离受温度和压强的影响及物理变化和化学变化中分子的种类是否改变、化学反应的实质全部动态地演绎出来，揭示出化学过程的微观实质，展示了科学思维的形成途径，描述了科学思想的产生，科学概念的形成和发展等，把抽象思维变成形象思维，降低了学习的难度，为学生最大限度地扫除了学习上的困难，使学生在学习中有了更直观的感受，加深了学生对知识的理解，达到对知识的内化，在课堂上得到了高质量的生成，提高了他们思维的品质，取得了良好的教学效果。

下图是氧分子在不同压强下分子间的距离变化情况展示：

化学变化中分子种类改变（即生成了新分子）演绎：C+O2 CO2

又如，在水的组成测定中计算机把大量水分子在通电条件下分裂成氢原子和氧原子，然后在不同的电极上形成氢分子和氧分子的微观过程清晰地展示出来，突破了教学难点，使学生在学习中有了更直观的感受，开发了学生的智力，培养了能力。教师通过计算机教懂、教准、教活、教精，又使学生乐学、勤学、善学、活学。

第6篇：计算机分子模拟技术范文

1．化工工程设计实质

对化工工程设计而言，从由分子结构出发预测物质的物性到工艺过程的设计、分析直至绘图，均可由计算机软件完成，可用三个词简单地概括计算机软件在化工工程设计的作用：模拟、计算和绘图。化1二过程所涉到的模拟包括微观过程或结构分子模拟到研究宏观过程的流程模拟。绘图是计算机科学的一个重要分支，在丁程设计中用计算机软件绘图通常为计算机辅助设计的简称。化1：程设计是一个系统工程，除了工艺路线设计、设备计算、绘图等以外，还有环境评估，经济效益、社会效益的分析等大量的工作，这些都可以借助于计算机软件来完成。

2．化工工程设计的特点

化工工程设计是化工设计的核心，它决定着整个设计的概貌，起着组织和协调非工程设计的主导作用。而工程计算又是化工工程设计的前提和必要条件，化工工程计算即根据既定的设计要求进行物料、能量衡算，进一步确定设备的E艺尺寸、原材料的消耗及其它T艺管道的设计计算等。化工工程计算存在着以下几个突出的特点：

1)计算公式多且复杂，大部分为非线性、多变量，设计计算量大；

2)许多设计参数的查询范围较大，影响计算结果的合理性和可靠性；

3)一艺工程设计需要许多设计方案反复比较，进行调优。采用传统的设计方案已经难于实现1=程的高效率、低成本等多方而的最优化过程，因此使计算机在化工工程设计中的应用变得越来越重要。

3．化工工程设计中应用的重要软件

3．1绘图和办公软倬

在设计单位普遍使用微机的同时，设计人员较自然地转向采用~HAutoCAD等通用绘图软件~IWoM、Excel等办公软件来完成绘制工程图的设计工作，编制设计文件和各种表格。这些软件主要有：化工自控计算机辅助设计软件、石油化工自控计算机辅助设计软件、化工设备CAD施工图软件、热工专业计算机辅助设计软件、总图运输专业绘图软件、化工机械化运输计算机辅助设计软件、建筑工程设计软件等等。当这些专业设计软件包在各专业的设计工作中较普遍地得到应用时，化工工程设计工作也就初步从人工设计转向计算机软件辅助设计。

3．2大型化工装置管道设计软件

大型装置往往有设备数百台，管道成千上万条，管子和管件材料可达数万乃至数十万件。这些管道的设计、材料采购、车间预制和现场安装都要靠计算机辅助设计绘制出准确的管段侧图和完备的管道材料表。

3．3三维CAD技术

上世纪80年代中期引进的CALMA公司CAD系统，配有10台APOLLO工作站。设计时在工作站上构造装置的三维模型以便研究设备布置和管道敷设。CAD建模和修改方便，坐标尺寸也精确。在结构、设备和管道等模型建成后，便得到装置的三维模型，由此可任意抽取二维平、剖面图。CALMA软件的基本功能很好，但工程实用的经验还不多。目前主要使用PDMS(CADCENTER的)和PDS(INTERGRAPH的)三维CAD软件，它们也都是目前国际上多数主要工程公司普遍采用的，技术成熟可靠，功能较强，且在持续发展和提供服务。功能较强的三维CAD软件还具有硬、软碰撞检查功能。在完成j维模型设计后，可以运行REVIEW模块来检查模型元件在坐标空间中的物理碰撞，还可以检查物理模型与操作维护通道之间的干扰情况；设计人员可以根据检查结果先期对三维模型加以修改。这样就可以保证设计质量，避免以后可能发生的施工修改和运行维护时碰到问题。

4．加大化工工程设计中计算机软件应用

4．1软件的开发与购买

根据国内化工工程行业计算机的发展状况，各单位应对软件技术采取购买和开发并举的方针，以目前状况来看，计算机系统支撑软件和部分通用的应用软件应主要采取购买的方针，部计算机技术中心站组织好上述软件的来源，并做好统一、协调、服务工作，各单位在统一的支撑软件和通用软件的基础上结合各自的情况开发各自的应用软件和工程数据库。

4．2提高软件在化工工程设计中的实用性

提高软件在化公工程设计中的实用性，是软件有效性应用的最终目标。在开发软件过程中，要不断探索和发现化工程设计中存在的软件技术弱点，针对技术上的弱点进行软件设计，从而增加软件对化程的应用效果。

4．3形成专业化软件开发中心

第7篇：计算机分子模拟技术范文

关键词：树枝状分子 计算机模拟 相关体系 相互作用

中图分类号：O469 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-018-03

1 引言

软凝聚态物理是用物理学方法和手段研究自然界中的复杂流体物质。软物质物理是物理学与化学、生命科学、材料科学的天然桥梁，是认识生命体系相关问题的基础，已成为21世纪物理学发展的一个重要研究方向。高分子复杂流体是典型的软物质体系，具有软物质的许多共同特征，如：多自由度、对环境响应强、在结构形成中熵效应和动力学效应显著等。树枝形大分子是20世纪末期出现的具有树枝状拓扑结构的一类高分子。

由于其具有大量表面的官能团、分子结构的精确、相对疏水的内部空腔、尺寸具有可控性、良好的溶解性以及表面的可修饰性等内在性质 ，它们已经被成功的运用到工业、生物医药业、材料等领域。近些年来，随着合成和表面修饰技术的发展，为了能够使树枝状分子在更多领域得到应用，人们尝试着一些的方法来优化它的功能。研究者们利用动态光散射（DLS）、核磁共振（NMR）、荧光共振能量转移（FRET）等实验手段研究树状大分子的结构、动力学信息和它们在界面处的行为。

然而，有的时候，实验的手段很难观察到树状分子内部的具体三维结构，同时在分子层次上，解释有关体系的微观机制上有一定的局限性。在实验无法完成的条件下，计算机模拟能够有效地解决一些微观机制。例如，在模拟的工作中，通过熵和能量的竞争很容易理解电中性易弯曲的树状分子是拥有内紧外松的结构。并且，树状分子的回旋半径Rg与N成比例，其中N是树枝状分子的代数。本文着重总结了近些年来带电树枝状分子在界面处树枝状分子的行为的理论模拟。我们将从计算机模拟方面，评述树枝形大分子及其有关体系的研究进展。

2在界面处的树枝状分子

树枝状分子在材料科学和生物医学上有着广泛的应用。研究树枝状分子在界面处的行为对理解它的物理化学性质有着重要的影响。最近的研究显著突出树枝形大分子作为功能表面及界面材料，在细胞膜，微电子学或在化学药品和生物传感的应用。下面将要回顾近期树枝形大分子在界面及它们对界面影响的行为。

2.1 全原子模型

Macke等人利用全原子的动力学方法研究电中性和末端带电的G2～G5的树枝状分子在隐性溶剂下与一个带负电的二维六边形的珠子间的相互作用。他们发现树枝状分子与这个界面相互作用时，都会变得扁平，并且带电的树枝状分子变形的更厉害。Kelly等人运用CHARMM力场研究了表面带电、表面呈中性的G3树枝状分子与DMPC脂质膜的相互作用。他们发现，当树枝状分子靠近脂质膜的磷酸盐的部分时，相互吸引力变强了，并且带电的树枝状分子更容易与膜相互作用。Kelly等人也研究了树枝状分子与不同相（凝胶或者液态）的脂质膜的相互作用，发现在凝胶态的脂质双分子层中，无论是带电还是不带电的树枝状分子都是球形的，但是在液态的脂质双分子层中，树枝状分子是扁平状的（如图1）。

Nawaz等人在空气-水的界面处， 对末端修饰相对的位置和数量不同的烷基的PAMAM进行一系列的研究（如图2）。他们对两亲性的树枝状分子进行了两种研究：一个将树枝状分子表面全部修饰上癸烷，另一个仅修饰表面一半的氨基（结构上是对称的）。他们发现树枝状分子中的最长轴总是垂直于分界线的，它们的结构介于扁圆和扁平状之间。并且，一半做表面修饰的PAMAM基本上浸没于水中，而修饰的烷基完全暴露在空气中。对于表面修饰完全的树枝状分子来说，树枝状分子和水之间的氢键（HBs）使树枝状分子更倾向于向界面处移动。当树枝状分子浸入在水中时，烷基会包裹树枝状分子亲水性的部分，阻碍HBs的生成。相反，无论是在靠近界面处，还是浸没在水中，一半做表面修饰的PAMAM的氢键数目大致相同。由于树枝状分子的拓扑结构和柔性度等原因，相比较于部分表面修饰的树枝状分子，表面全部修饰上癸烷得树枝状分子更加的稳定。

2.2 粗粒化的模型

为了克服体系的太小和模拟时间的过短的缺点，Lee和Larson采用MARTINI力场通过改变树枝状分子的浓度、大小和形状来研究对DMPC脂质膜的影响。结果发现，与高浓度的G5发生作用的脂质膜会发生变形且产生孔洞现象，相比较于高浓度的G5，与低浓度的G7相互作用的膜也会产生孔洞现象，进入膜中的水分子数目也更多。但是，相比较于多聚赖氨酸，他们发现球状刚性的树枝状分子更易使膜形状发生改变。

Tian和Ma研究了不同的pH和代数的树枝状分子对膜的影响（如图3）。他们发现，在酸性条件下，G3未发生穿膜现象仅吸附于膜的表面，自身的形状发生很大的变化；树枝形大分子出现跨膜行为，部分树枝形大分子穿过磷脂膜进入到另外一侧。在中性环境下的基因输运过程中，G4仅仅吸附于带负电的细胞膜的表面。这也说明树枝状分子对pH值较为敏感。相反，由于高代数的G5引发了膜的孔洞的现象，所以这类分子的毒性较高。对于低代数的树枝状分子（G3、G4）在基因输运方面，毒性较低。基因输运效率的高低与树枝状分子能否从内吞体中逃逸直接相关。由于静电相互作用，G3、G4吸附于带负电的细胞膜表面，引发可能的内化作用。相比较于G4，在内吞作用后，G3带有的电荷量较低难以破坏内吞体的膜。所以，由于低毒性和高效率，G4是最理想的基因输运的载体。

图3 在pH～5、pH～7、pH～10 的条件下，G3（a）和G4（b）与非对称膜的相互作用的模拟快照。橘黄色代表树枝状分子，蓝绿色代表双分子层的尾部，绿色和黄色代表双分子层的头部，水和反离子在此被省略。

Lin等人研究了PAMAM与DPPC（肺表面活性物质的模型）之间相互作用。他们发现，G5，G7的PAMAM对DPPC的结构影响比较大，同时关注了在呼吸的过程中DPPC分子在界面处的相由LE-LC共存到LC的相转变的情况。但是，由于G5和G7的作用阻止了DPPC正常的相转变，甚至造成了反向的相变。这也说明了由于PAMAM的毒性和潜在的应用，它可以控制DPPC分子在界面处相变行为。

3 总结和展望

理解树枝状分子在相关体系行为及形成的微结构是软凝聚态物理特别感兴趣的地方。在这篇综述中，我们回顾了树枝状分子在界面处的计算机模拟的有关工作。吸附在相关的界面的树枝状分子的自身的形状发生改变，并且会使诸如脂质膜等界面处的结构发生变化。计算机模拟可以很好的预测到树枝状分子在相关体系的信息。一方面，模拟计算可以开发出功能优良的树枝状分子；另一方面，可以观察相关体系的现象，并了解可能的物理机制。尽管目前已有大量的研究工作发表，并且得到许多有价值的结果；但是，该领域仍然存在许多尚待解决的问题。从计算机模拟的角度来说，目前针对特定树枝形大分子的力场并不多，粗粒化的力场一般是先从常用的几个全原子力场中获得的原始信息做进一步处理，常用的全原子力场有时并不能很好地反映某一特定树枝形大分子的热力学和动力学信息。所以，发展新的力场或改进目前使用的力场还需要进一步的研究。对于大尺度的计算机模拟，粗粒化的多尺度模拟方法仍然需要进一步提升。另外，由于模拟时间和体系的限制，对于小分子诱导的树枝形分子体系的自组装研究还处于初级阶段，需要进一步的深入研究。

（基金项目：国家自然科学基金项目（1104056， 91027040， 11047027， 10974080）， 973项目（2012CB821500））

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第8篇：计算机分子模拟技术范文

【关键词】中学化学 虚拟实验

【中图分类号】G【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）07B-0063-02

化学是一门实验科学。首先，化学知识的传承要以实验现象为基本依托。通过实验中的发光、发热、变色以及基本的物态变化来反应物质在化学范畴之内的特性。其次，化学认知的探究过程也离不开实验。每一次新的化学技术的飞越都是以化学实验为出发点的，实验室是孕生化学理论的温床。高中化学教学的实施，必须重视学生化学实验能力的培养。但是，在实际教学过程中化学实验课的开设受到了种种制约。化学实验本身需要耗费化学药品，试验过程中存在一定的危险因素，实验室空间以及设备配置情况并不能满足每一位学生都能够接受严格的实验训练。在计算机领域，模拟现实技术的不断发展为改变化学实验课开设的现状创造了有利条件。教育研究工作者以及一线教师通过教育实践研究，将教育教学活动与计算机技术相结合，通过图像模拟、互动设计以及程序设计等科学手段，将化学实验通过计算机环境设计出虚拟实验情景。结合现代信息技术设备使得虚拟的实验场景与学生见面，学生借此进行主动操作。这样的教学方式可以改善传统实验室操作中的一些制约因素，在一定程度上使得化学实验课以及化学教育教学工作变得更加有效、快捷。

一、模拟经典实验，突出理论根源

化学反应原理的分析与化学反应现象总是相伴而生的，通观高中化学教材，实验总与理论描述相伴而生。大小实验出现的频率很高，教学中实验现象的描述一般是以文字的形式出现，这对于学生而言，理解起来有一定的困难。首先是把文字符号翻译成图像画面的脑力活动势必会使得学习的精力分散而偏离学习的主题，影响到认知图式的顺利建构；其次，高中学生已经基本发展出一些天生的质疑精神，他们对没有亲眼见过的事物会持怀疑态度，总期望能够得到验证，纯粹的文字描述说服力是苍白的。模拟的实验场景，会将学生带入现实情境中，直观地“观察”实验现象，使得实验安排的目的性更加明确，课堂教学的重点更加突出，同时也理顺了学生建构认知图式的条件，提高课堂学习的效率。

比如，人教高中化学必修1“离子反应”的教学过程中，“实验2.1.1：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml稀KCl溶液”和“实验2.1.2：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml BaCl2溶液”这两个对比试验，设计的目的是要学生探究什么是离子反应，以及发生离子反应的条件是什么，而实验现象的分析仅仅是借以探究这两个问题答案的材料，没有必要在这里花费太多时间让学生回忆甚至进行实验操作来理解反应的现象。直观快捷地演示实验的过程和现象，在这里变得很必要。工作中，课前教师将硫酸钠和氯化钾溶液、氯化钡溶液的反应过程通过计算机技术制作成模拟课件，在必要的时候进行直观演示，简化了学生理解实验现象的过程，加深了学生对实验现象的印象。最重要的是，观看完实验过程，学生直接将学习的焦点聚集在讨论核心问题上来，避免学生迷失于实验过程的纠缠中致使课堂教学重点发生偏离。

二、促进实验创新，培养探究能力

化学实验充满了无穷的魅力，一旦拥有便利的条件，高中学生就能够充分发挥他们的想象力，不断尝试并开拓自己的创造能力。从理论来看，虚拟实验室的构建，可以给学生提供一个自由探究的空间和平台。一方面，虚拟的器材库，可以提供应有尽有的实验器材和实验用的化学药品，且不需后续的财力投资。另一方面，虚拟实验通过人机互动来完成，实验效果都是经过科学规律的控制而产生的，即使出现危险结果也不会有人员伤害事件发生。这两大优点，为学生天马行空的想象得以实践提供了良好条件，也正是这样的条件才孕生了学生创造能力得以开拓的土壤。

在实践中，我们设计学生实验的时候，要尽力为学生提供一些可选条件，以丰富的器材和药品库作为支撑，同时预设多种可能出现的方案，使得虚拟实验课件尽量真实地展示各种药物组合之后发生的实验现象。此外，还要善于开拓教学资源。如今，虚拟现实技术的发展催生了许多虚拟实验室的出现，其中不乏针对高中化学设计的化学虚拟实验室。这种实验室以模拟现实实验室为终极目标，具备完善的实验室系统，其中包含“器材库”“药品库”这样的实物模拟模块，也包含了完备的化学定律控制层面的程序模块，虚拟的“软环境”和“硬环境”使其更逼真地将学生带入实验。

比如，实验室制备氯气的反应。首先是装置的组装问题，教师根据学生的学习经验，首先出示了实验室制备二氧化碳的装置，引导学生研究实验室制备气体的装置组装的要素。然后让学生发挥主观能动性，根据化学反应方程式的提示来组装使用高锰酸钾和浓盐酸制备氯气的装置。一般地，多数学生都组装出了包括反应装置、集气装置、尾气处理装置三大块在内的反应装置。但是随着教师进一步提出问题，这样的装置制备的氯气纯净吗？学生再次分析化学反应方程式发现，由于加热的缘故，制备的氯气中很可能含有KCl和水蒸气。于是，又讨论如何添加净化装置。最终，在虚拟实验环境中组装好了包括反应装置、净化装置、集气装置和尾气处理装置的完整的氯气制备装置。随后，根据讨论时的结论一一添加药品。过程中，学生表现出强烈的探究欲望，他们不满足于高锰酸钾制备氯气的一种途径，此时，教师引导学生自行探究使用氯酸钾、漂白粉等制备氯气的反应。

虚拟实验的过程中，体现了这样几个常规实验不能达到的优点。其一，教师采用了动画演示的方式，将反应装置中的生成物以不同颜色的箭头标识清楚。这样学生直观地看到生成物并不是理想的单一化物质，而是还有我们不需要的杂质。随着一步步的净化，杂质逐步去除，学生明确了实验中每一个实验器皿中的药品起到的作用。第二，随着虚拟过程中装置的一步步改进，学生掌握了化学实验中需要考虑的因素，为今后的创新性探究创造了条件。第三，虚拟操作不能代替常规化学实验操作带给人的感受和收获，但是虚拟操作为实践操作更加顺利地进行奠定了基础。最后，方便的操作环境，帮助学生实现了他们多种途径制备氯气的想法，拓宽了学生思路，发展了学生的创造能力。

三、构建分子模型，呈现微观世界

化学分子的微观结构与物质的物理、化学性质之间关系密切，传统的教学要么单纯使用文字语言描述来表达分子结构，要么使用二维图片做简单演示，这些都制约了学生的空间想象能力。虚拟实验室的出现，在微观分子结构演示方面做出了巨大贡献。采用三维技术处理的“三维分子”虚拟功能，提供了物质中各微粒组成的基本方式。我们可以自由组合这些“微粒”并以不同形态、色彩来标识微粒，帮助学生更加直观地了解物质的构成，进而学习物质的化学性质。

第9篇：计算机分子模拟技术范文

关键词：抗氧剂；酚；烷基化二苯胺

中图分类号：TE624.82文献标识码：A

Development of High Temperature Antioxidant

ZHANG Hui， DUAN Qing-hua， LI Xin-hua

（Research Institute of Petroleum Processing， SINOPEC， Beijing100083， China）

Abstract：Based on the structure-activity relationship of antioxidant molecules， a sulfur-containing phenol antioxidant was designed in the existing knowledge on the antioxidant system. The synergistic effect of both phenol and diphenylamine antioxidants was studied and the proportion of them was determined. The result of passing ASTM Sequence Ⅲ showed that the high temperature antioxidant can meet the demand of high grade internal combustion engine oil.

Key words： antioxidant； phenol； alkyl diphenylamine

0引言

环保、节能是推动内燃机油升级换代的主要驱动力，随着排放法规的不断严格，对发动机排放的要求也越来越苛刻，从而大大加快了内燃机油升级换代的步伐。ILSAC（国际油规格委员会）于2009年底通过了最新的汽油机油规格GF-5，对内燃机油中的磷含量，硫含量做出了新的限制，其中，磷含量要求介于006%～008%，硫含量不大于06%；同时对油品的黏度增长、沉积物重量的要求也越来越高。例如，TEOST MHT-4中沉积物重量从GF-2规格的45 mg变为GF-4规格的35 mg，直至GF-5规格的30 mg；高温热氧化从ⅢE台架试验逐步升级为ⅢF、ⅢG，台架评定中油温也越来越高，而黏度增长变化率从375%下降为275%、150%[1-3]。

更高的使用温度，更大的NOx含量，对油品的抗氧化性能要求更为苛刻，这对辅助型抗氧剂提出了新的要求；为满足高档内燃机油的发展，研制一种新型高温抗氧剂是十分必要的。

1高温抗氧剂的设计

针对内燃机油的发展趋势，必然要根据其使用特点，来对抗氧剂展开针对性的研究。内燃机油对抗氧剂的要求，正是我们开发新型抗氧剂的着力点。

1.1高温抗氧剂类型的确定

随着环保要求的提高，大力发展低硫酸盐灰分、低磷、低硫（Low-sulphated Ash， Phosphorus and Sulphur，低SAPS）油已成为高档油研究领域中的一个重要趋势[4]。作为辅助型抗氧剂，一般宜选用无灰型抗氧剂。常用的无灰型抗氧剂包括烷基化二苯胺（ADPA）和屏蔽酚类抗氧剂（HP），二者均为自由基中止剂，能够有效地捕捉自由基。二者具有较好的协同效应，能够有效地提高油品的抗氧化性能[5]，见图1。

在配方中的使用发现：胺类抗氧剂能有效控制油品黏度增长，酚类抗氧剂能减少沉积物的生成，二者复配具有较好的协同效应。此种复配方式在GF-3级别汽油机油，甚至在柴油机油中得到广泛使用，并且也可作为抗氧性能补强剂调合于油品之中[6]，见图2。

1.2含硫组分的引入

现代内燃机油要求基础油具有特别好的氧化安定性和很高的黏度指数，以满足日益苛刻的使用性能要求。传统的溶剂精制基础油已难以满足这一要求，Ⅱ类、Ⅲ类加氢油甚至聚α-烯烃合成油（PAOs）成为必然要求[7]。深加工工艺导致油品中天然抗氧组分的缺失，而且研究也发现加氢基础油对含硫类抗氧剂具有良好的感受性[8-9]。同时油品中对磷含量的限制，导致二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）剂量减少，需补加具有过氧化物分解功能的添加剂。因此，考虑在酚类抗氧剂中引入硫元素，来提高油品的抗氧化性能。大量研究已经表明，含有一个硫醚基抗氧化官能团的屏蔽酚化合物，既能通过酚羟基均裂脱氢与ROO・反应来终止烃类分子的链式氧化反应，又可以通过硫醚基将ROOH分解为ROH，从而产生自协同抗氧效应，使含硫屏蔽酚具备比无硫屏蔽酚更优秀的抗氧化活性[5]，见图3。

1.3高温概念的引入

内燃机尺寸小型化、高速度、重负荷和大功率的发展趋势使得油品的使用温度越来越高，同时从台架试验的要求也可以看出，程序ⅢG、ⅥD等台架的试验温度相比以前的程序Ⅲ、Ⅵ等台架试验，温度逐步走高，这就要求辅助抗氧剂具有良好的热稳定性。而塑料用抗氧剂具有较高的热分解温度和颜色稳定性，可以作为进行结构筛选的参考对象。而常用的屏蔽酚型塑料抗氧剂通常为双酚甚至多酚结构，具有较大的分子量。因此，可考虑含硫的双酚类抗氧剂。

1.4分子结构的构造

目前，计算机技术的迅猛发展和量子化学理论的完善，使得分子模拟技术日臻成熟，为我们从分子和原子水平上深入研究屏蔽酚的分子结构差异提供有效途径。因此，可以通过计算机实验的方法，获得屏蔽酚的分子结构与抗氧化性能内在关系的系统认识，这对于指导设计开发新型屏蔽酚抗氧剂，优化高档内燃机油配方体系和加快产品的研发进程，均具有重要的理论价值和实际意义[10]。

定量结构活性关系（Quantitative Structure-Activity Relationship，QSAR）或者定量结构性能关系（Quantitative Structure-Property Relationship，QSPR）方法能够用数学方程来描述化合物的活性（或性能）与反映分子结构特征的参数之间的定量关系，从而将化合物的微观结构与其宏观性质成功地联系在一起[11]。

参考现有含硫屏蔽酚的构效关系理念[12-13]，采用DFT方法优化得到含硫屏蔽酚分子的最低能量构象，详细分析其几何结构、Mulliken电荷布局和前线分子轨道性质，计算含硫屏蔽酚分子的BDE（O-H）。通过对含硫屏蔽酚的结构性能关系进行系统的量子化学研究，发现BDE（O-H）越小，其酚羟基捕获ROO・的反应活性越高，高温抗氧化性能越强；含硫屏蔽酚中的硫醚基可以将ROOH分解为相应的醇类化合物，而自身则被氧化生成亚砜或砜，在此反应过程中，硫醚基作为电子供给体，其提供电子的能力与含硫屏蔽酚分子分解ROOH的反应活性密切相关。S原子所带Mulliken负电荷数的多少，反映了其周围电子密度的相对高低，可以表征硫醚基提供电子能力的强弱。S原子的Mulliken负电荷数越多，说明硫醚基提供电子的能力相对越强。对于含硫屏蔽酚而言，较小的BDE（O-H）和较多的S原子Mulliken负电荷，有利于酚羟基和硫醚基同时发挥较强的反应活性，在捕获ROO・的同时，也可以分解ROOH，从而显著改善高温抗氧化性能[10]。

因此，从改善抗氧化性能的角度出发，应该设计开发具有如下特点的含硫屏蔽酚：S原子Mulliken负电荷较多、O-H键解离能较低，这为新型屏蔽酚抗氧剂的开发提供了明确的方向。

2目标产物的合成

2.1产品结构

参考分子模拟计算结果的设计理念，结合实际使用情况，设计出如下分子结构的含硫双酚型抗氧剂，见图4。

2.2反应原理

高温酚型抗氧剂的合成以屏蔽酚型抗氧剂和含硫化合物为原料，在催化剂作用下，合成含硫酚型抗氧剂SHP。

2.3产品制备

通过正交设计试验，对合成产品的原料配比、催化剂用量、反应温度、反应时间等进行了考察，优化了反应条件，合成产品中有效组分含量超过90%[14-16]。但所得产物为黏稠液态产物，不仅含有目标产物，也包括未反应原料、少量的副产物和反应所用的催化剂。因此，为得到纯度相对较高的产品，需要对产品进行精制处理。

选用Waters DELTA600液相色谱，C18硅胶色谱柱，流动相为甲醇，流速为1 mL/min，吸收波长为254 nm[17]。其具体谱图见图5。

从图6可以看出，精制后产品中目标产物的含量达到了99%以上。表明精制工艺具有良好的效果。

3性能评定及台架数据

3.1合成产品热稳定

采用热失重（TGA）分析法，在氮气气氛下加热合成样品。TGA分析法是使样品处于程序控制的温度下，观察样品的质量随温度的函数。从产品的TGA图上，可以看出随温度的上升，失重逐渐增大，一直到570 ℃左右，达到了完全失重，具体结果见图7。

3.2复合产品抗氧剂性能

将含硫酚型抗氧剂与胺类抗氧剂进行复合，并进行了氧化诱导期（RBOT法）的评定。试验所用基础油为上海6#加氢油，加剂量为03%，具体结果见图8。

从图8可以看出，含硫屏蔽酚效果要优于屏蔽酚；复合抗氧剂的氧化诱导期均要明显优于单剂，这表明酚胺复合具有良好的协同效应。

3.3复合抗氧剂在SL和CH-4配方中抗氧性能评价

程序ⅢF台架试验用于评定汽油机油的高温氧化及抗磨性能，其指标包括机油变稠、漆膜沉积物、机油消耗和发动机磨损。其采用通行的GM 3800系列ⅡV-6发动机，其试验时间为90 h，具体结果见表1。

3.4复合抗氧剂在SM配方中的性能评定

将复合抗氧剂RAO和其他参比剂以同等剂量加入到SM配方中，进行抗氧性能实验室评价，其中TFOUT采用ASTM D4742方法进行，试验温度160 ℃，氧化诱导期实验温度为210 ℃，具体结果见表4。

3.5复合抗氧剂在SM配方中抗氧性能评价

选用RAO复合高温氧剂，调合成SM级别汽油机油，进行台架试验[18]，具体结果见表5。

上述结果表明，含硫酚酯型抗氧剂与胺类抗氧剂复合所得抗氧剂在油品的高温抗氧化能力方面具有良好表现。

4复合抗氧剂的理化指标

所得最终产品为酚胺复合产品，两种类型抗氧剂复合具有良好的协同作用，在提高油品的抗氧化能力方面具有显著效果，为保证产品的质量，对复合产品的理化指标进行了分析，具体结果见表6。

5结论

（1）根据内燃机油发展趋势，结合分子模拟手段，确定了合成产品的结构，优化产品合成工艺，合成目标产品。

（2）复合抗氧剂产品性能指标稳定，采用RBOT、TFOUT、PDSC等方法对产品和复合抗氧剂相关性能进行评价，结果表明高温抗氧剂具有较好的抗氧性能。

（4）在SL汽油机油、CH-4柴油机油中通过相关台架试验；在SM汽油机油中，通过程序ⅢG台架试验，满足了高档内燃机油的发展需求。

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