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基本信息
- 項目名稱：
- 基于隨機行走的分子模擬及分析系統(tǒng)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品是一款計算化學(xué)模擬軟件系統(tǒng)。本工作從諸多化學(xué)化工的基本擴散過程出發(fā)，建立了粒子在二維或準(zhǔn)二維空間內(nèi)擴散的隨機行走模型，集成了數(shù)據(jù)分析模塊和可視化界面。該軟件有助于理解微納米尺度內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的傳質(zhì)過程。它已被國內(nèi)外同行成功應(yīng)用于膜傳質(zhì)、離子擴散、催化劑中的分子擴散等介觀尺度下的擴散過程研究。
- 詳細介紹：
- 一、基本原理 本軟件從一大類介觀尺度下的化學(xué)化工問題中抽象出二維受限空間中的隨機行走模型，并以此為理論基礎(chǔ)進行模擬與分析。其基本原理簡要敘述如下。(1)二維空間的定義：借用結(jié)晶學(xué)原理以二維的重復(fù)結(jié)構(gòu)“晶胞”來描述二維空間；另外在晶胞中定義了“勢壘”以限制粒子的運動。(2)粒子的描述：粒子可以是抽象的質(zhì)點或者具體的原子、分子等。(3)粒子運動的描述：粒子的運動是通過“步”來描述的，描述一步中粒子的位置的變化等信息，主要包括粒子速度的生成與粒子與勢壘的作用。粒子的速率遵循給定的概率分布函數(shù)，其方向符合隨機原理；粒子與勢壘的作用可改變粒子運動速度大小和方向。根據(jù)我們對空間的定義，粒子的運動是在一個晶胞內(nèi)考慮的；如果在一步中粒子穿過了晶胞的邊界，則需要重置空間信息。(4)結(jié)果的分析：可以通過MSD、出現(xiàn)概率分布、空腔擴散等分析方法對得到的數(shù)據(jù)進行分析以供進一步的研究。 二、軟件組織與結(jié)構(gòu) 本軟件嚴謹而有序的組織結(jié)構(gòu)為可擴展性打下了基礎(chǔ)?；窘Y(jié)構(gòu)由三個主要模塊構(gòu)成，即界面、模擬與分析。界面模塊是用戶進行操作的部分；模擬模塊是最核心的部分，負責(zé)完成隨機行走的步驟；分析模塊負責(zé)對模擬所得的數(shù)據(jù)進行分析。三個模塊相對獨立，通過定義的接口規(guī)范相互聯(lián)系與通訊。 (詳見研究報告軟件組織與結(jié)構(gòu)部分。) 三、使用方法 由于整個軟件的界面是由MFC框架編寫，因此其外觀以及各種基本操作功能與一般的Windows程序一致，主界面上的子窗口有各自的功能，可以方便地進行參數(shù)設(shè)置以及查看結(jié)果。(詳見研究報告軟件界面部分。) 其使用流程為：首先在界面上進行各種參數(shù)的設(shè)置，然后調(diào)用模擬模塊進行模擬，最后調(diào)用分析模塊進行分析。由于軟件在界面上提供了各種常用的文件操作功能，所以上述步驟可以從其中的任意一步開始，也可以在任意一步中止，從而大大增加了使用的靈活性。(詳見研究報告軟件工作流程部分。)
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 介觀尺度內(nèi)的粒子運動是化學(xué)化工領(lǐng)域的一類基本問題。目前對于幾納米到幾千納米，即介觀尺度分子擴散過程的模擬是一個空白?，F(xiàn)有的一些理論計算方法如用于模擬小體系的分子動力學(xué)和用于模擬大體系的有限元方法等都有局限性。其中分子動力學(xué)方法由于規(guī)模的限制而不可行，有限元方法因難以處理離散粒子運動而無法精確描述這一體系。然而在這一尺度內(nèi)的眾多的熱點問題，如單分子分離、膜擴散、微流控等均要求提供一種快速有效的模擬工具，而這正是我們工作的核心。基于這一迫切的科研需求，我們通過歸納這一尺度內(nèi)的粒子運動規(guī)律，創(chuàng)新性地把這些實際問題抽象為一類受限空間內(nèi)的隨機行走模型。在這一模型中，抽象粒子運動的平均自由程一般為受限空間單元尺寸幾分之一到幾千分之一。在這一理論框架下，我們設(shè)計與編寫了計算化學(xué)軟件系統(tǒng)，并留有規(guī)范的接口使之適用于其它類似的新體系。完成這一工作的關(guān)鍵是：首先根據(jù)物理化學(xué)知識和已有的實驗結(jié)果對上述討論的化學(xué)化工過程進行歸納，總結(jié)出其內(nèi)在的一般規(guī)律；然后抽象建立可靠的受限空間隨機行走理論模型；最后將這一模型通過程序設(shè)計語言轉(zhuǎn)化為面向用戶的多功能的計算化學(xué)軟件系統(tǒng)。評價這一軟件系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)為：(1)是否能方便、高效地完成所需的模擬任務(wù)；(2)模擬所得的結(jié)果與已有的理論與實驗的結(jié)果的符合程度；(3)模擬所得的結(jié)果是否對化學(xué)理論或化工生產(chǎn)上的問題具有指導(dǎo)作用或預(yù)見性。
科學(xué)性、先進性
- 本軟件以一種直觀而高效的形式實現(xiàn)了對受限空間中的隨機行走過程的模擬。它適用于對介觀尺度內(nèi)的一大類粒子運動問題的模擬研究，彌補了分子動力學(xué)及有限元等方法在這一尺度內(nèi)的局限性。在這一模型框架下，我們同時考慮了問題的普遍性與特殊性，制定了統(tǒng)一的接口規(guī)范，并根據(jù)具體問題提供不同的參數(shù)設(shè)置與處理過程。本軟件的科學(xué)性得到了文獻結(jié)果的印證 [1][2]，并成功應(yīng)用在一些實際過程的模擬中。 [1] Niehaus, A. M. S., Vlachos, D. G., Edwards, J. S., Plechac, P., Tribe, R. Biophysical Journal(2008) 94: 1551-1564. [2] Takimoto, B., Nabika, H., Murakoshi, K. J. Phys. Chem. C(2009) 113: 3127-3132.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 應(yīng)用推廣階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無償提供予合作研究者
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場展示 圖片 視頻
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本軟件為介觀體系下化學(xué)化工領(lǐng)域的粒子運動及相關(guān)問題提供了一種方便有效的模擬工具。其理論模型具有高度的概括性與科學(xué)性，將這一類介觀體系內(nèi)的問題抽象為受限空間的隨機行走模型；實現(xiàn)方法先進而高效，滿足快速、大規(guī)模模擬的要求；分析手段多樣化（如MSD、出現(xiàn)概率分布、空腔擴散等）且分析結(jié)果合理；用戶界面清晰直觀、功能齊全且便于操作。由于本軟件在一定程度上兼具專用性與普適性，故應(yīng)用面廣。該軟件既可以用于化學(xué)基礎(chǔ)理論研究，也可以推廣至對化工過程的模擬。在理論研究方面，它適用于單分子運動和有序膜中分子擴散規(guī)律的研究。在化工過程方面，可以模擬電滲膜中水合離子的跨膜運動、微流控芯片中待檢測物質(zhì)的運動、電池材料中電子擴散和離子擴散等。此外，本軟件設(shè)置的統(tǒng)一接口為進一步開發(fā)其他復(fù)雜體系的模擬打下了基礎(chǔ)。
同類課題研究水平概述
- 介觀尺度下粒子運動的模擬研究缺乏通用而高效的模擬工具。在幾納米到幾千納米的尺度內(nèi)，分子動力學(xué)與有限元的方法都有其固有缺陷，因此我們通過分析與歸納諸多與分子擴散相關(guān)的化學(xué)化工過程，提出了受限空間的隨機行走模型，進而開發(fā)了適用于這一尺度下的計算化學(xué)模擬軟件。 雖然隨機行走的概念早在上個世紀初由Pearson提出[1]，但隨機行走在實際體系中的應(yīng)用在接下來的一個世紀中很少被涉及。直到近幾年，隨機行走的應(yīng)用開始被重視。文獻報道了一些利用隨機行走模型所做的模擬工作，如膜中粒子運動規(guī)律的研究[2][3]、催化劑中氣體的擴散[4]等。但這些工作缺乏概括性，并未提出這些過程的本質(zhì)；并且這一類研究缺乏系統(tǒng)而有效的研究工具，所以難以推廣。 我們的工作建立在以上工作的基礎(chǔ)上，力求為一大類介觀尺度下的化學(xué)化工問題(如單分子分離、膜擴散、微流控等)提供普適的研究工具。由于我們所用的基本模型——受限空間隨機行走是從這一大類問題中抽象得到的，所以具有普適性；對于不同的研究課題有不同參數(shù)設(shè)置，所以又具有專用性；本軟件為自主編寫，具有可擴展性。本軟件可作為介觀尺度下的物質(zhì)擴散過程研究的普適工具，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。 參考文獻 [1]Pearson, K. Nature(1905) 72: 294. [2]Niehaus, A. M. S., Vlachos, D. G., Edwards, J. S., Plechac, P., Tribe, R. Biophysical Journal(2008) 94: 1551-1564. [3]Pozuna, Z. D., Henkelma. G. Journal of Membrane Sciencen(2010) 364: 9-16. [4]繆明烽, 沈湘林. 電力科技與環(huán)保(2010) 26: 15-18.
