計算機分子模擬技術精選(九篇)
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第1篇：計算機分子模擬技術范文
本書是一部教讀者實際操作原子的計算機模擬的實用教材，旨在使讀者理解、設計、運行并分析他們自己的原子的計算機模擬結果。本書作者們在指導學生從事原子計算機模擬研究以及教學活動時產生了自己動手寫一本教材的打算，期望以此為讀者提供設計和執行任何包括原子模擬研究計劃所需要的實用知識，一部展示計算機模擬的最佳實踐范例和實用指南。
作者們把全書內容分成5個部分。第1部分涵蓋了為理解原子計算機模擬所需要的大學高年級水平的基本物理和化學知識以及原子模擬技術的基本概念，含第1-4章：1. 原子，分子和晶體；2. 化學鍵；3. 化學反應；4. 究竟計算什么？。第2部分描述原子模擬的基本技術，含第5-6章：5. 總能量最小化；6. 分子動力學和蒙特卡羅。第3部分描述分子力學和電子結構技術理論，這一部分技術性比較強，具有足夠的深度使讀者能夠理解如何做模擬以及不同方法中的近似是什么，含第7-9章：7. 計算能量和力；8. 電子結構方法； 9. 詳細介紹密度泛函理論。第4部分強調了設計一個實際做模擬的計劃，包括如何選擇原子的合適坐標，以及如何仔細地規定和檢驗特殊的模擬，含第10-13章：10. 項目計劃；11. 坐標和模擬單元；12. 基本要點；13. 試驗。第5部分詳細分析了如何取出一個模擬代碼生成的數據以及如何產生有價值的數據，含第14-18章：14. 查看輸出文件；15. 利用所有的數據做些什么？16. 可視化；17. 電子結構分析；18. 與實驗比較。書末給出了兩個附錄：A.UNIX；B. 科學計算，補充介紹了一些課文中用到的具體程序問題。
讀者在閱讀時應該至少要利用一個具體的原子計算機模擬代碼，實際動手去做實驗，分析所得的結果，評估結果是否正確，發現和糾正錯誤，從結果中提取相關信息。作者為本書提供一個網頁：http：///。在那里作者們寫了一些博客，討論當前感興趣的一些最新的文章以及一些練習。而且內容不斷更新。對于從事原子計算機模擬的研究人員和學習相關課程的研究生本書有很好的參考價值。
第2篇：計算機分子模擬技術范文
論文關鍵詞：計算機輔助藥物設計；現代教育技術；教學改革
計算機輔助藥物設計(computeraideddrugdesign，cadd)是藥物化學學科的一個分支，該項技術的高速發展和廣泛應用使其成為藥學科研工作者必須掌握的技術之一。計算機輔助藥物設計課程是藥物化學的系列課程之一，其特點是專業性強，所涉及的內容、方法及應用軟件更新很快；課程內容多涉及生物大分子和有機小分子的三維結構，如何將內容生動、形象地呈現給學生是教學過程中需要解決的問題。為充分調動學生主觀能動性，提高學生興趣，培養學生分析問題和解決問題的能力，筆者在cadd課程教學過程中引人多種現代教育技術和教學方法，不斷推進cadd課程教學的革新。
本文主要對作者在計算機輔助藥物設計課程教學中綜合應用多媒體、分子模擬軟件、錄屏軟件、dvd視頻等現代教育技術的經驗進行介紹，并對在cadd教學過程中推行改革的幾點體會進行總結。
一、計算機輔助藥物設計課程教學改革探索
1．多種現代化教育技術手段的應用
筆者所在的藥學院自2001年在本科生及本碩連讀長學制學生中開設cadd課程，其教學模式的發展如其他課程一樣，經歷了從傳統到現代的過程。課程早期采用“粉筆加掛圖”教學模式，以傳統的黑板板書為主，復雜的內容用掛圖表達。后來有了幻燈機，部分分子圖形可以用幻燈機放映，使學生對分子圖形有了相對形象的了解。到上世紀9o年代后期，隨著計算機microsoftofifcepowerpoint軟件在教學過程中被普遍使用，cadd課程教學模式進入了計算機多媒體時代。授課時，教師可以方便地將課件內容顯示在教室的大屏幕上予以講解。其優勢是一些分子圖形的內容可以比較形象的表達，但缺點在于圖片依然是“死”的形式，不能顯示生物大分子和藥物小分子相互作用的動態過程，不足以形象地體現出計算機輔助藥物設計的特點。為了解決這個問題，并充分挖掘現代教育技術的潛能，筆者在cadd課程教學中對教學方法進行了改革。
現代教育技術除常用的計算機、多媒體和網絡技術等，還包括攝像機、dvd／vcd機以及其他av(音頻和視頻的總稱)設備等。筆者在課堂教學過程中，不斷摸索將現代教育技術恰到好處地應用于計算機輔助藥物設計課程的方法，促使新技術的引入起到激發學生興趣、提高教學效果的作用。筆者挖掘現代教育技術潛能具體的做法包括以下幾個方面：
(1)應用pymol軟件圖形化地表達分子動態過程
pymol是一個用于顯示和分析分子三維結構的程序，由warrenlyforddelano編寫，并被delanoscientificllc軟件公司商業化。應用這個軟件，可以向學生演示構建小分子的三維結構以及用球棍、飄帶等多種方式顯示分子三維結構的方法。另外pymol還可以對蛋白質三維結構進行編輯和修改，研究蛋白質和小分子相互作用的過程，并以三維圖形的形式顯示分子相互作用的動態過程，使原本抽象的教學內容能夠很直觀地呈現在學生面前。筆者在課程的各個章節中均穿插使用pymol軟件對分子三維結構進行模擬，圖像色彩鮮艷，結構形象生動。由于大部分學生是第一次接觸分子模擬軟件，對此種豐富生動的圖形有很強的新奇感，激發了學生對課程的強大興趣。因此pymol軟件的引入，在整個教學過程中起到了變化教學刺激、維持學生注意力的良好效果。
(2)充分利用網絡資源
在網絡尚不發達的年代，cadd課程內容有一定的局限性——只能以介紹理論為主，相對抽象和枯燥，不利于培養學生的實踐能力和解決問題的能力。隨著網絡技術飛速發展和網絡資源的不斷豐富，cadd課程的教學在時間和空間上都得到了很大的擴展。在課程的內容上，筆者給學生介紹大量與計算機輔助藥物設計相關的網站資源，包括各種網頁、數據庫和計算模擬軟件；讓學生通過完成課后作業的形式利用這些資源，并自己不斷擴充課堂知識，從而把課堂教學效果延續到指導學生今后的工作，使學生的學習能力和素質較之以前明顯提高。后來的調查結果顯示，學生對這部分的內容是非常感興趣的。
(3)繪聲繪影12．0軟件的應用
計算機輔助藥物設計課是對藥學專業本碩連讀六年制學生開設的一門選修課，根據每屆學生人數不同，選修人數多則上百，少則六、七十人。由于場地和教師人員的限制，不可能讓每個學生都進人工作站進行實地操作。為了使學生對工作站的基本情況有所了解，筆者用攝像機錄制了介紹本院工作站的視頻文件，并用繪聲繪影12．0軟件加以編輯，配上片頭和音樂，自制成比較有趣的dvd視頻教學片，在課上給學生播放。學生觀看后，對工作站的方位和硬件一目了然。還有一些學生觀看后，饒有興趣地要求參加工作站的研究工作。
(4)discoverystudio2．5分子模擬軟件和camtasiasudio6．0錄屏軟件相結合的嘗試
計算機輔助藥物設計是一門實踐性很強的學科，最佳的授課模式應該是在理論課進行的同時開設實驗課，使學生有機會到計算機輔助藥物設計工作站的實驗室里親自動手操作。但計算實驗室與普通實驗室不同，需要特殊的空間，需要大量的計算機，更需要昂貴的藥物設計軟件。受空間和經費的限制，往往短期內難以建成符合要求的實驗室。另外對教師而言，只有在經過系統的培訓和長期的實踐基礎上才有能力來帶這種特殊的實驗。如何使大量的學生能夠在教師的指導下到工作站進行實際操作，多年來一直是困擾大家教學的難題。為了在經費有限的條件下解決這個問題，使整班學生都能較快了解軟件的功能及操作，筆者在多種現代教學方法中做了許多摸索，最終采取將discoverystudio
2．5分子模擬軟件和camtasiasudio6．0錄屏軟件的相結合使用的方法。
discoveyrstudio2．5(簡稱ds)軟件是基于win—dows／linux系統的分子模擬和計算軟件平臺，功能很多，可以完成大多數課堂教學的計算內容，但是操作起來相對復雜。由于學生人數多，空間和時間都受限制，即使教師將學生分成多組，一遍遍地做演示和講解也是不現實的。受網絡教育的啟示，筆者采取用錄屏軟件將教師在pc機上操作錄制下來制成教學片的方法來進行實驗教學。筆者先后嘗試了多種錄屏軟件，最后選用功能較好、錄制效果理想的camtasiasudio6．0軟件。在專門的錄音室里，教師在自己的pc機上應用discoveyrstudio2．5軟件演示教學內容的操作過程，同步使用camtasiasudio6．0軟件的錄屏功能，將所有的操作步驟和講解內容都很清晰地錄制下來。之后，再對這些錄制好視頻文件進行加工，制成一個個不同主題的實驗教學片，拿到課堂上給學生播放。這種直觀的演示，不僅大大節省了實驗室空間和時問，減少了教師不必要的重復性工作，學生容易接受和理解，學得輕松愉快。學生在后來的問卷調查中表示對這部分的內容很感興趣，印象深刻。其效果可謂“教得輕松，學得愉快”。
在上述實踐過程中筆者深刻體會到，靈活運用現代化的教學手段，充分挖掘其潛能，可以為教學工作提供很大便利。不但可以激發學生的學習興趣，還能幫助解決師資缺乏和實驗設備不足的問題，使教學效果明顯提高。教師通過將網絡、音頻、視頻等技術手段引人教學過程，把授課內容制成包括動畫在內的各種視聽資料，使教學內容能夠以更加形象、更加逼真的方式傳授給學生。這種方式較之傳統的“板書+教科書”的授課方法更受學生的歡迎，同時，學生對授課內容的記憶也更加深刻。
孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。有教育學者認為：“在教學中創設良好的學習環境，是激發和引起學生學習動機、學習興趣的有利手段，一旦激發起來，學生就會產生學習的強大內趨力，主動去探索和學習”。教育最終目的是“授之以漁”，故對教師而言，在課堂上啟迪學生積極思維和主動學習是很重要的工作。現代教育技術的應用，可以直接指導學生在獲得知識的過程中主動觀察、思維和想象，引導學生在學習過程中分析現象，挖掘本質，最終解決問題，這些過程都可以加深學生對知識的記憶。現代教育技術通過對學生產生多種感官刺激，有效地激發學生的學習興趣，使課堂的氣氛輕松愉快，有利于教學質量的提高，有利于學生思維的發展，提高學生的素質。
二、傳統教育與現代教育技術的有機結合
“教學的進步是要不斷地掌握眾多的教學模式和不斷地提高有效使用這些模式的能力”。筆者在進行cadd教學改革的過程中，深感必須把現代教育技術與傳統教學手段有機地結合起來，才能獲取課堂教學的最佳效果。為此，筆者進行了三項改革。
1．及時更新教材
計算機輔助藥物設計學科具有技術發展快、內容和軟件更新快的特點，這使得其課程存在一個突出問題，即教材的更新趕不上學科的發展。為了應對這項挑戰，筆者采取年年更新教材的做法，在每年開課之前都對教材內容進行必要的補充，為學生復印教材的補充材料。相應地，每年也都對教學內容進行調整，盡可能地將學科的新進展融人到教學內容中，保證學生能在課上接觸到最新的知識。
2．改革授課方法
教學過程中，如何使學生在學習中發揮主體作用是一個重要的問題。教師在教學中應該充分發揮學生學習的主動性，激發學生對教學活動的參與，實現師生之間的互動。problem—basedlearning(pbl)教學法是目前世界流行的以問題為導向的教學方法，是一種以學生為中心的教育方式。實踐證明，pbl教學可以很好地調動學生積極性，但必須有多個教師才能完成對學生的引導和帶著問題學習的過程，同時需要學生投入很大的精力去查文獻和準備討論的內容。為此，筆者在cadd教學中借鑒pbl教學法，并對其進行改良，在每堂課都設計一些有關實際操作和藥物設計的問題，引導學生積極展開討論，啟發學生的思維，使學生由灌輸式的學習轉變為積極、主動的學習。同時教師在教學實踐中靈活、理性地利用現代教育技術，最大限度地調動學生的積極性，一起投人教學改革中，使教學效果獲得很大提高。
3．革新考試方法
為培養學生的綜合素質和創新能力，在考核方式上筆者沒有采取傳統的閉卷考試的方法，而是采用了多樣靈活的形式。學生成績(百分制)由以下幾部分組成：以期末開卷考試(50％)和平時隨堂練習成績為基礎分數(20％)，加上記錄出席實驗課情況的基本考勤分(20％)和平時上課積極參加課堂討論的課堂表現分(10％)，即為學生最終的課程得分。這樣不僅減輕了學生的負擔，而且促進學生分析問題和解決問題能力的提高，把促使學生主動學習的思想貫穿在整個教學過程中，而不是僅在學期末的死記硬背，更有助于學生養成主動學習的習慣，有利于學生整體素質的提高。
三、應用現代教育技術要求教師再學習
目前國內各學校普遍配備了較為現代化的教學設備，但擁有現代化的教學設備，并不代表就能夠發揮現代教育技術手段的優勢。還需要廣大教師學習和研究現代教育理論，充分使用現代教育技術。“教師需要跟上當前理論和研究的發展，并理解這些發展對課堂教學實踐的意義”。
隨著社會的發展和科學的進步，人人都面臨終生教育的問題。教師作為教育的先行者，首先要更新知識更新觀念，做現代教育技術的學習者、使用者和傳播者；要提高教學質量、激發學生的學習興趣，教師首先要提高學習興趣；要培養自身創新意識，在教學過程中不斷地嘗試和創新，充分學習和利用現代教育技術。為此，筆者通過多種渠道來學習和掌握現代教育技術。首先，積極參加學校、社會組織的各種教學技術培訓班，緊跟同行步伐，不落伍；此外，還充分利用寒暑假等業余時間，研究開發各種軟件的使用方法，學以致用，及時地在課堂上進行應用和演示。在學習和應用這些技術方法的過程中，筆者體會到了無限的樂趣。
與此同時，教師又是現代教育技術的受益者。現代教育技術為教師提供了理想的教學平臺，實現了教學資源的多樣化，集p文字、動畫、分子圖形、分子模擬和dvd錄像等各種表現形式于一體，使教學內容更豐富和更直觀，有利于學生對知識的獲取和記憶，使教學內容變得具體生動，使過去難以表達到的內容輕而易舉的展現。現代教育技術的出現，為教師施展才華提供了新的契機。教師把新技術應用于教學和課堂組織時，會感到非常自信和方便。如果不把握住這一機遇，就會成為時代的落伍者引。
四、現代教育技術應用效果的評價
為了聽取學生的建議，更好地推進cadd課程教學改革，筆者在2009年選修cadd課程的學生中展開了問卷調查。當年選課學生為60名，有56人參加答卷。其中與本文內容相關的統計和分析結果如下：
1．學生的學習興趣
對于選修cadd課程的目的，有13人(23．2％)是因為學科內容與學生的研究課題有關，或希望畢業后往這個方向發展；而多達36人(64．3％)則只是感興趣，為了多學一些與藥學有關的知識。說明學習興趣是促使學生主動學習的重要因素。
2．現代教學技術幫助學生達到預期的學習效果
對于是否達到預期學習效果，共45人(80．3％)認為完全達到和基本達到，認為說不清的10人(17．9％)。學習效果受到學生的肯定。
3．對計算機輔助藥物設計實驗教學環節的建議
有44人(78．6％)希望開設真正的實驗課，學生自己上機實際操作；5人(8．9％)不希望開實驗課，但希望到工作站現場去看教師演示；18人(32．1％)建議再錄制一些其他實驗方法內容，增加模擬實驗課的學時，減少理論課的學時；沒有一個學生贊成只講理論課，取消實驗課環節。上述數據說明大多數的學生還是希望培養自己的動手實踐能力，以適應今后的社會發展的要求。
4．對整個教學過程感興趣的環節
第3篇：計算機分子模擬技術范文
化工設計在化工生產中占據極其重要的位置，是化工企業的立足之本。伴隨計算機技術的飛速發展，它在化工設計中的應用由最初的局部輔助發展到如今的全面輔助，在化工設計中扮演著越來越重要的角色。借助于計算機技術，人們不光能夠進行繪圖、工藝路線設計、設備計算等工作，還能完成對環境、經濟和社會效益的評估，因而化工設計又是一項系統工程。當前化工設計中通過使用圖形軟件AutoCAD系統，可以代替圖板和計算器并依照相應制圖標準來完成化工機器圖、化工設備圖、工藝流程圖等的繪制。傳統的紙質圖紙設計存在改動麻煩且只能進行二維空間上的繪畫的不足，利用計算機輔助制圖(CAD)就能有效彌補這方面的缺陷。不僅能夠方便快捷的繪圖和編輯與修改，顯著提高設計質量；而且將圖紙拓展至三維空間，減低遺漏、片面等繪圖錯誤，縮短設計周期，加快工程建設進度，最終節省工程投資，節約成本。可以說利用計算機的輔助計算是專業化工設計人員必備的一項基本技能，他能保質、保量的完成化工生產中的化工設計。
2計算機技術在化工模擬設計中的應用
化工模擬設計的主要工作內容是通過數學模型將一個以許多單元過程所組成的化工流程準確表現出來，應用化工模擬設計能顯著提高化工設計的品質與效率。在實際的化工生產中，化學實驗和化學反應測試非常重要，但由于存在一定程度上的不可預知性，需要我們逐一的去嘗試，將會消耗巨大的人力、物力與時間，不利于化工生產的進行。而化工過程涉及到的模擬包含結構分子模擬或微觀過程以及研究宏觀過程的流程模擬，根據反應物的性質，矯正副反應系數，通過化工模擬設計準確且快速的預測化學分析條件，能在節約時間的同時大幅提高生產效率，為企業的發展奠定良好的基礎。如今Aspenplus和ProII等不但能夠進行物料與熱量衡算，還可以進行單元過程計算與設計方案的優選或優化，在制藥、石油煉化、化學工程等過程設計領域中獲得廣泛應用。常見的化工工程流模擬圖如圖1所示。伴隨計算機技術的快速發展，設計、控制并優化現有的化工工藝過程，是當前化工企業需解決的重點。而作為過程開發、工業設計及生產優化控制的有力工具，化工流程模擬與優化技術在生產設備的參數優化及增產降耗上發揮了巨大的作用。
3計算機仿真技術在化工生產中的應用
計算機仿真是一門為系統分析、綜合、研究、設計和對專業人員的培訓提供一種先進技術手段的綜合性技術學科，在化工領域中占據了日益重要的地位。通過化工仿真，能夠形象的將化工生產中流程中設計的閥門、管道、調節器、分析儀器等等化工設備更為逼真的再現，讓化學工業領域的工作者們更好的進行模擬與仿真，從而使設計的化工生產系統更好的為化工行業服務。將計算機技術與化學工業相結合，在化工生產前進行動態仿真模擬，為實際化工生產進行操作優化和技術改造提供了有力依據。
4結束語
第4篇：計算機分子模擬技術范文
一、近似計算在靜態分析中的應用
在電子技術中應運中,近似計算貫穿其始終。然而,沒有近似計算是不可想象的。而精確計算在電子技術中往往行不通,也沒有其必要。盡管近似計算會引入一定的誤差,但這個誤差控制得好,不會對分析其它電路產生大的影響。所以關鍵在于我們如何掌握,特別是如何應用近似計算。
在工作點穩定電路中的應用要進行靜態分析,就必須求出三極管的基電壓,必須忽略三極管靜態基極電流。這樣,我們得到三極管的基射電子的相關過程及結論。
二、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題
由于納米器件的特征尺寸處于納米量級,因此,其機理和現有的電子元件截然不同,理論方面有許多量子現象和相關問題需要解決,如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應機理等。盡管如此,納米電子學中急需解決的關鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關的納米電子技術方面,其主要表現在以下幾個方面。
(1)納米Si基量子異質結加工
要繼續把現有的硅基電子器件縮小到納米尺度,最直截了當的方法是采用外延、光刻等技術制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導體結構。其中,不同層通常是由不同勢能的半導體材料制成的,構建成納米尺度的量子勢阱,這種結構稱作“半導體異質結”。
(2)分子晶體管和導線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導線,但把這些元件組裝成一個可以運轉的邏輯結構仍是一個非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個平面上;另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管,Purdue University等研究機構在這個方向上取得了可喜的進展,但該技術何時能夠走出實驗室進入實用,仍無法斷言。
(3)超高密度量子效應存儲器
超高密度存儲量子效應的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件,它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統提供海量存儲手段。但是,有了制造納米電子邏輯器件的能力后,如何用這種器件組裝成超高密度存儲的量子效應存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學研究者提出了新的挑戰。
(4)納米計算機的“互連問題”
一臺由數萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機注定需要巧妙的結構及合理整體布局,而整體結構問題中首當其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說,就是計算結構中信息的輸入、輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間內,并極快地使用和產生信息,需要有特殊的結構來控制和協調計算機的諸多元件,而納米計算元件之間、計算元件與外部環境之間需要有大量的連接。就現有傳統計算機設計的微型化而言,由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”,這樣就有一些幾何學上的考慮和限制,連接的數量不可能無限制地增加。因此,納米計算機導線間的量子隧穿效應和導線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。
(5)納米 / 分子電子器件制備、操縱、設計、性能分析模擬環境
當前,分子力學、量子力學、多尺度計算、計算機并行技術、計算機圖形學已取得快速發展,利用這些技術建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設計與性能分析的模擬虛擬環境,并使納米技術研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現有計算機的速度、分子力學與量子力學算法的效率等問題,目前建立這種迅速、敏感、精細的量子模擬虛擬環境還存在巨大困難。
三、交互式電子技術手冊
交互式電子技術手冊經歷了5個發展階段,根據美國國防部的定義:加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術手冊、線性結構電子技術手冊、基于數據庫的電子技術手冊和集成電子技術手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術手冊并不存在,大多數電子技術手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是,各類電子技術手冊雖然代表不同的發展階段,但是各有優點,較低級別的電子技術手冊目前仍然有著各自的應用價值。由于類以上的電子技術手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優點。
簡單的說,電子技術手冊就是技術手冊的數字化。為了獲取信息的方便,數字化后的數據需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式,電子技術手冊的發展就是圍繞這一過程來進行的。
四、電子技術在時間與頻率標準中的應用
時間和頻率是描述同一周期現象的兩個參數,可由時間標準導出頻率標準,兩者可共用的一個基準。
第5篇：計算機分子模擬技術范文
關鍵詞：科學教學；多媒體；反思
新課標著重于培養學生創造力、創新能力，培養學生的科學素養，教會學生自主學習。新一輪課程改革把轉變學生學習方式作為重要的內容與標志，在具體的教學中，必然會帶來從教學目標和技能到過程和方法的全面變革。教學方法使教學的重點由單純的傳授知識技能、技巧轉向開發學生的智力，培養學生的能力，提倡高效課堂。而CAI的特點是直觀、生動、形象，能使抽象的教學內容形象化、具體化，本質化，幫助學生理解，有利于學生的生成。隨著多媒體技術在課堂上的不斷運用，優化了教學結構，為新課標的實施提供了一個理想平臺，并且隨著計算機輔助教學手段不斷開發和在教學實踐中的深入應用，使課堂煥發出前所未有的生命力。
一、多媒體輔助科學教學的優勢所在
1.有利于提高學生的學習興趣
俗話說，興趣是最好的老師。有了興趣，學習才有自覺性，才有動力，才能心情愉快地去完成學習任務，學生科學創新意識和創新能力的培養目標之一就是要對科學有好奇心，不滿足現有知識，有強烈的求知欲，能積極主動地思考問題。如在學習原子的核式結構時，由于內容比較抽象，學習難度較大，若采用傳統講授法，又是滿堂灌，教師不斷地解釋，學生被動地聽，學習氣氛枯燥乏味，勢必降低學生的興趣，影響教學效果，但現在運用電教手段，教學就直觀、生動多了，課件就是一幅生動精美的動畫片，把原子的微觀結構、原子核的微觀構成、電子在核外的繞核高速運動動態地展示出來了，漂亮的界面牢牢地吸引了學生，學生個個都睜大好奇的眼睛，看得目瞪口呆，這種微觀世界的美深深地震撼著學生，就如當初深深地震撼著我們教師一樣，使學生興趣盎然，印象深刻，很好地幫學生克服了學習上的困難。CAI的這種功能和效果是任何教師口頭上的說教和圖片無法達到的。正是由于CAI具有圖、文、聲、像并茂這樣的特點，所以，它能為學生搭建一個形象化的、動態的教學平臺，提供理想的教學環境，使學生從中獲得知識。多媒體的使用使課堂教學變得更加豐富多彩、生動活潑，也使學生在學習過程中有了新鮮感和輕松感，能在愉悅的心境中去理解和掌握知識內容，體驗了學習科學的樂趣，使教學的科學性和藝術性得到統一，從而激發了學生的求知欲和濃厚的學習興趣，增強了科學課的凝聚力和吸引力，促使學生積極主動地學習。
2.有利于突破教學難點
學生認識事物的特點是：從具體的形象思維向抽象邏輯思維過渡，但思維還與感性知識直接相聯系，仍需具體的形象來支持。而CAI教學可以靠著生動的畫面、靠著對要強調的內容的閃爍、靠著對關鍵部位的放大及它的強大的二維和三維的圖像處理和動畫模擬創造出良好的思維情景。利用這一特點可以化抽象為形象，化靜態為動態，將微觀過程宏觀化，化枯燥為生動，打破學生學習上的障礙，有助于突破教學難點。例如，初二科學的第一章《物質與微觀粒子模型》是學生剛接觸到的微觀理論部分，分子作為微觀粒子，看不見、摸不著，單靠教師講解學生很難接受，而以往的表格、掛圖和模型都不能把分子動態地表示出來，但這部分制成多媒體課件后，把氧分子演繹成 分子模型，把二氧化碳分子演繹成 分子模型，把一氧化碳分子演繹成 分子模型，并且把微觀粒子運動的表象，把物質的構成微粒、分子與原子的關系、分子在溫度改變條件下運動速度的改變、分子間的距離受溫度和壓強的影響及物理變化和化學變化中分子的種類是否改變、化學反應的實質全部動態地演繹出來，揭示出化學過程的微觀實質，展示了科學思維的形成途徑，描述了科學思想的產生，科學概念的形成和發展等，把抽象思維變成形象思維，降低了學習的難度，為學生最大限度地掃除了學習上的困難，使學生在學習中有了更直觀的感受，加深了學生對知識的理解，達到對知識的內化，在課堂上得到了高質量的生成，提高了他們思維的品質，取得了良好的教學效果。
下圖是氧分子在不同壓強下分子間的距離變化情況展示：
化學變化中分子種類改變（即生成了新分子）演繹：C+O2 CO2
又如，在水的組成測定中計算機把大量水分子在通電條件下分裂成氫原子和氧原子，然后在不同的電極上形成氫分子和氧分子的微觀過程清晰地展示出來，突破了教學難點，使學生在學習中有了更直觀的感受，開發了學生的智力，培養了能力。教師通過計算機教懂、教準、教活、教精，又使學生樂學、勤學、善學、活學。
第6篇：計算機分子模擬技術范文
1．化工工程設計實質
對化工工程設計而言，從由分子結構出發預測物質的物性到工藝過程的設計、分析直至繪圖，均可由計算機軟件完成，可用三個詞簡單地概括計算機軟件在化工工程設計的作用：模擬、計算和繪圖。化1二過程所涉到的模擬包括微觀過程或結構分子模擬到研究宏觀過程的流程模擬。繪圖是計算機科學的一個重要分支，在丁程設計中用計算機軟件繪圖通常為計算機輔助設計的簡稱。化1：程設計是一個系統工程，除了工藝路線設計、設備計算、繪圖等以外，還有環境評估，經濟效益、社會效益的分析等大量的工作，這些都可以借助于計算機軟件來完成。
2．化工工程設計的特點
化工工程設計是化工設計的核心，它決定著整個設計的概貌，起著組織和協調非工程設計的主導作用。而工程計算又是化工工程設計的前提和必要條件，化工工程計算即根據既定的設計要求進行物料、能量衡算，進一步確定設備的E藝尺寸、原材料的消耗及其它T藝管道的設計計算等。化工工程計算存在著以下幾個突出的特點：
1)計算公式多且復雜，大部分為非線性、多變量，設計計算量大；
2)許多設計參數的查詢范圍較大，影響計算結果的合理性和可靠性；
3)一藝工程設計需要許多設計方案反復比較，進行調優。采用傳統的設計方案已經難于實現1=程的高效率、低成本等多方而的最優化過程，因此使計算機在化工工程設計中的應用變得越來越重要。
3．化工工程設計中應用的重要軟件
3．1繪圖和辦公軟倬
在設計單位普遍使用微機的同時，設計人員較自然地轉向采用~HAutoCAD等通用繪圖軟件~IWoM、Excel等辦公軟件來完成繪制工程圖的設計工作，編制設計文件和各種表格。這些軟件主要有：化工自控計算機輔助設計軟件、石油化工自控計算機輔助設計軟件、化工設備CAD施工圖軟件、熱工專業計算機輔助設計軟件、總圖運輸專業繪圖軟件、化工機械化運輸計算機輔助設計軟件、建筑工程設計軟件等等。當這些專業設計軟件包在各專業的設計工作中較普遍地得到應用時，化工工程設計工作也就初步從人工設計轉向計算機軟件輔助設計。
3．2大型化工裝置管道設計軟件
大型裝置往往有設備數百臺，管道成千上萬條，管子和管件材料可達數萬乃至數十萬件。這些管道的設計、材料采購、車間預制和現場安裝都要靠計算機輔助設計繪制出準確的管段側圖和完備的管道材料表。
3．3三維CAD技術
上世紀80年代中期引進的CALMA公司CAD系統，配有10臺APOLLO工作站。設計時在工作站上構造裝置的三維模型以便研究設備布置和管道敷設。CAD建模和修改方便，坐標尺寸也精確。在結構、設備和管道等模型建成后，便得到裝置的三維模型，由此可任意抽取二維平、剖面圖。CALMA軟件的基本功能很好，但工程實用的經驗還不多。目前主要使用PDMS(CADCENTER的)和PDS(INTERGRAPH的)三維CAD軟件，它們也都是目前國際上多數主要工程公司普遍采用的，技術成熟可靠，功能較強，且在持續發展和提供服務。功能較強的三維CAD軟件還具有硬、軟碰撞檢查功能。在完成j維模型設計后，可以運行REVIEW模塊來檢查模型元件在坐標空間中的物理碰撞，還可以檢查物理模型與操作維護通道之間的干擾情況；設計人員可以根據檢查結果先期對三維模型加以修改。這樣就可以保證設計質量，避免以后可能發生的施工修改和運行維護時碰到問題。
4．加大化工工程設計中計算機軟件應用
4．1軟件的開發與購買
根據國內化工工程行業計算機的發展狀況，各單位應對軟件技術采取購買和開發并舉的方針，以目前狀況來看，計算機系統支撐軟件和部分通用的應用軟件應主要采取購買的方針，部計算機技術中心站組織好上述軟件的來源，并做好統一、協調、服務工作，各單位在統一的支撐軟件和通用軟件的基礎上結合各自的情況開發各自的應用軟件和工程數據庫。
4．2提高軟件在化工工程設計中的實用性
提高軟件在化公工程設計中的實用性，是軟件有效性應用的最終目標。在開發軟件過程中，要不斷探索和發現化工程設計中存在的軟件技術弱點，針對技術上的弱點進行軟件設計，從而增加軟件對化程的應用效果。
4．3形成專業化軟件開發中心
第7篇：計算機分子模擬技術范文
關鍵詞：樹枝狀分子 計算機模擬 相關體系 相互作用
中圖分類號：O469 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）004-018-03
1 引言
軟凝聚態物理是用物理學方法和手段研究自然界中的復雜流體物質。軟物質物理是物理學與化學、生命科學、材料科學的天然橋梁，是認識生命體系相關問題的基礎，已成為21世紀物理學發展的一個重要研究方向。高分子復雜流體是典型的軟物質體系，具有軟物質的許多共同特征，如：多自由度、對環境響應強、在結構形成中熵效應和動力學效應顯著等。樹枝形大分子是20世紀末期出現的具有樹枝狀拓撲結構的一類高分子。
由于其具有大量表面的官能團、分子結構的精確、相對疏水的內部空腔、尺寸具有可控性、良好的溶解性以及表面的可修飾性等內在性質 ，它們已經被成功的運用到工業、生物醫藥業、材料等領域。近些年來，隨著合成和表面修飾技術的發展，為了能夠使樹枝狀分子在更多領域得到應用，人們嘗試著一些的方法來優化它的功能。研究者們利用動態光散射（DLS）、核磁共振（NMR）、熒光共振能量轉移（FRET）等實驗手段研究樹狀大分子的結構、動力學信息和它們在界面處的行為。
然而，有的時候，實驗的手段很難觀察到樹狀分子內部的具體三維結構，同時在分子層次上，解釋有關體系的微觀機制上有一定的局限性。在實驗無法完成的條件下，計算機模擬能夠有效地解決一些微觀機制。例如，在模擬的工作中，通過熵和能量的競爭很容易理解電中性易彎曲的樹狀分子是擁有內緊外松的結構。并且，樹狀分子的回旋半徑Rg與N成比例，其中N是樹枝狀分子的代數。本文著重總結了近些年來帶電樹枝狀分子在界面處樹枝狀分子的行為的理論模擬。我們將從計算機模擬方面，評述樹枝形大分子及其有關體系的研究進展。
2在界面處的樹枝狀分子
樹枝狀分子在材料科學和生物醫學上有著廣泛的應用。研究樹枝狀分子在界面處的行為對理解它的物理化學性質有著重要的影響。最近的研究顯著突出樹枝形大分子作為功能表面及界面材料，在細胞膜，微電子學或在化學藥品和生物傳感的應用。下面將要回顧近期樹枝形大分子在界面及它們對界面影響的行為。
2.1 全原子模型
Macke等人利用全原子的動力學方法研究電中性和末端帶電的G2～G5的樹枝狀分子在隱性溶劑下與一個帶負電的二維六邊形的珠子間的相互作用。他們發現樹枝狀分子與這個界面相互作用時，都會變得扁平，并且帶電的樹枝狀分子變形的更厲害。Kelly等人運用CHARMM力場研究了表面帶電、表面呈中性的G3樹枝狀分子與DMPC脂質膜的相互作用。他們發現，當樹枝狀分子靠近脂質膜的磷酸鹽的部分時，相互吸引力變強了，并且帶電的樹枝狀分子更容易與膜相互作用。Kelly等人也研究了樹枝狀分子與不同相（凝膠或者液態）的脂質膜的相互作用，發現在凝膠態的脂質雙分子層中，無論是帶電還是不帶電的樹枝狀分子都是球形的，但是在液態的脂質雙分子層中，樹枝狀分子是扁平狀的（如圖1）。
Nawaz等人在空氣-水的界面處， 對末端修飾相對的位置和數量不同的烷基的PAMAM進行一系列的研究（如圖2）。他們對兩親性的樹枝狀分子進行了兩種研究：一個將樹枝狀分子表面全部修飾上癸烷，另一個僅修飾表面一半的氨基（結構上是對稱的）。他們發現樹枝狀分子中的最長軸總是垂直于分界線的，它們的結構介于扁圓和扁平狀之間。并且，一半做表面修飾的PAMAM基本上浸沒于水中，而修飾的烷基完全暴露在空氣中。對于表面修飾完全的樹枝狀分子來說，樹枝狀分子和水之間的氫鍵（HBs）使樹枝狀分子更傾向于向界面處移動。當樹枝狀分子浸入在水中時，烷基會包裹樹枝狀分子親水性的部分，阻礙HBs的生成。相反，無論是在靠近界面處，還是浸沒在水中，一半做表面修飾的PAMAM的氫鍵數目大致相同。由于樹枝狀分子的拓撲結構和柔性度等原因，相比較于部分表面修飾的樹枝狀分子，表面全部修飾上癸烷得樹枝狀分子更加的穩定。
2.2 粗粒化的模型
為了克服體系的太小和模擬時間的過短的缺點，Lee和Larson采用MARTINI力場通過改變樹枝狀分子的濃度、大小和形狀來研究對DMPC脂質膜的影響。結果發現，與高濃度的G5發生作用的脂質膜會發生變形且產生孔洞現象，相比較于高濃度的G5，與低濃度的G7相互作用的膜也會產生孔洞現象，進入膜中的水分子數目也更多。但是，相比較于多聚賴氨酸，他們發現球狀剛性的樹枝狀分子更易使膜形狀發生改變。
Tian和Ma研究了不同的pH和代數的樹枝狀分子對膜的影響（如圖3）。他們發現，在酸性條件下，G3未發生穿膜現象僅吸附于膜的表面，自身的形狀發生很大的變化；樹枝形大分子出現跨膜行為，部分樹枝形大分子穿過磷脂膜進入到另外一側。在中性環境下的基因輸運過程中，G4僅僅吸附于帶負電的細胞膜的表面。這也說明樹枝狀分子對pH值較為敏感。相反，由于高代數的G5引發了膜的孔洞的現象，所以這類分子的毒性較高。對于低代數的樹枝狀分子（G3、G4）在基因輸運方面，毒性較低。基因輸運效率的高低與樹枝狀分子能否從內吞體中逃逸直接相關。由于靜電相互作用，G3、G4吸附于帶負電的細胞膜表面，引發可能的內化作用。相比較于G4，在內吞作用后，G3帶有的電荷量較低難以破壞內吞體的膜。所以，由于低毒性和高效率，G4是最理想的基因輸運的載體。
圖3 在pH～5、pH～7、pH～10 的條件下，G3（a）和G4（b）與非對稱膜的相互作用的模擬快照。橘黃色代表樹枝狀分子，藍綠色代表雙分子層的尾部，綠色和黃色代表雙分子層的頭部，水和反離子在此被省略。
Lin等人研究了PAMAM與DPPC（肺表面活性物質的模型）之間相互作用。他們發現，G5，G7的PAMAM對DPPC的結構影響比較大，同時關注了在呼吸的過程中DPPC分子在界面處的相由LE-LC共存到LC的相轉變的情況。但是，由于G5和G7的作用阻止了DPPC正常的相轉變，甚至造成了反向的相變。這也說明了由于PAMAM的毒性和潛在的應用，它可以控制DPPC分子在界面處相變行為。
3 總結和展望
理解樹枝狀分子在相關體系行為及形成的微結構是軟凝聚態物理特別感興趣的地方。在這篇綜述中，我們回顧了樹枝狀分子在界面處的計算機模擬的有關工作。吸附在相關的界面的樹枝狀分子的自身的形狀發生改變，并且會使諸如脂質膜等界面處的結構發生變化。計算機模擬可以很好的預測到樹枝狀分子在相關體系的信息。一方面，模擬計算可以開發出功能優良的樹枝狀分子；另一方面，可以觀察相關體系的現象，并了解可能的物理機制。盡管目前已有大量的研究工作發表，并且得到許多有價值的結果；但是，該領域仍然存在許多尚待解決的問題。從計算機模擬的角度來說，目前針對特定樹枝形大分子的力場并不多，粗粒化的力場一般是先從常用的幾個全原子力場中獲得的原始信息做進一步處理，常用的全原子力場有時并不能很好地反映某一特定樹枝形大分子的熱力學和動力學信息。所以，發展新的力場或改進目前使用的力場還需要進一步的研究。對于大尺度的計算機模擬，粗粒化的多尺度模擬方法仍然需要進一步提升。另外，由于模擬時間和體系的限制，對于小分子誘導的樹枝形分子體系的自組裝研究還處于初級階段，需要進一步的深入研究。
（基金項目：國家自然科學基金項目（1104056， 91027040， 11047027， 10974080）， 973項目（2012CB821500））
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第8篇：計算機分子模擬技術范文
【關鍵詞】中學化學 虛擬實驗
【中圖分類號】G【文獻標識碼】A
【文章編號】0450-9889（2014）07B-0063-02
化學是一門實驗科學。首先，化學知識的傳承要以實驗現象為基本依托。通過實驗中的發光、發熱、變色以及基本的物態變化來反應物質在化學范疇之內的特性。其次，化學認知的探究過程也離不開實驗。每一次新的化學技術的飛越都是以化學實驗為出發點的，實驗室是孕生化學理論的溫床。高中化學教學的實施，必須重視學生化學實驗能力的培養。但是，在實際教學過程中化學實驗課的開設受到了種種制約。化學實驗本身需要耗費化學藥品，試驗過程中存在一定的危險因素，實驗室空間以及設備配置情況并不能滿足每一位學生都能夠接受嚴格的實驗訓練。在計算機領域，模擬現實技術的不斷發展為改變化學實驗課開設的現狀創造了有利條件。教育研究工作者以及一線教師通過教育實踐研究，將教育教學活動與計算機技術相結合，通過圖像模擬、互動設計以及程序設計等科學手段，將化學實驗通過計算機環境設計出虛擬實驗情景。結合現代信息技術設備使得虛擬的實驗場景與學生見面，學生借此進行主動操作。這樣的教學方式可以改善傳統實驗室操作中的一些制約因素，在一定程度上使得化學實驗課以及化學教育教學工作變得更加有效、快捷。
一、模擬經典實驗，突出理論根源
化學反應原理的分析與化學反應現象總是相伴而生的，通觀高中化學教材，實驗總與理論描述相伴而生。大小實驗出現的頻率很高，教學中實驗現象的描述一般是以文字的形式出現，這對于學生而言，理解起來有一定的困難。首先是把文字符號翻譯成圖像畫面的腦力活動勢必會使得學習的精力分散而偏離學習的主題，影響到認知圖式的順利建構；其次，高中學生已經基本發展出一些天生的質疑精神，他們對沒有親眼見過的事物會持懷疑態度，總期望能夠得到驗證，純粹的文字描述說服力是蒼白的。模擬的實驗場景，會將學生帶入現實情境中，直觀地“觀察”實驗現象，使得實驗安排的目的性更加明確，課堂教學的重點更加突出，同時也理順了學生建構認知圖式的條件，提高課堂學習的效率。
比如，人教高中化學必修1“離子反應”的教學過程中，“實驗2.1.1：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml稀KCl溶液”和“實驗2.1.2：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml BaCl2溶液”這兩個對比試驗，設計的目的是要學生探究什么是離子反應，以及發生離子反應的條件是什么，而實驗現象的分析僅僅是借以探究這兩個問題答案的材料，沒有必要在這里花費太多時間讓學生回憶甚至進行實驗操作來理解反應的現象。直觀快捷地演示實驗的過程和現象，在這里變得很必要。工作中，課前教師將硫酸鈉和氯化鉀溶液、氯化鋇溶液的反應過程通過計算機技術制作成模擬課件，在必要的時候進行直觀演示，簡化了學生理解實驗現象的過程，加深了學生對實驗現象的印象。最重要的是，觀看完實驗過程，學生直接將學習的焦點聚集在討論核心問題上來，避免學生迷失于實驗過程的糾纏中致使課堂教學重點發生偏離。
二、促進實驗創新，培養探究能力
化學實驗充滿了無窮的魅力，一旦擁有便利的條件，高中學生就能夠充分發揮他們的想象力，不斷嘗試并開拓自己的創造能力。從理論來看，虛擬實驗室的構建，可以給學生提供一個自由探究的空間和平臺。一方面，虛擬的器材庫，可以提供應有盡有的實驗器材和實驗用的化學藥品，且不需后續的財力投資。另一方面，虛擬實驗通過人機互動來完成，實驗效果都是經過科學規律的控制而產生的，即使出現危險結果也不會有人員傷害事件發生。這兩大優點，為學生天馬行空的想象得以實踐提供了良好條件，也正是這樣的條件才孕生了學生創造能力得以開拓的土壤。
在實踐中，我們設計學生實驗的時候，要盡力為學生提供一些可選條件，以豐富的器材和藥品庫作為支撐，同時預設多種可能出現的方案，使得虛擬實驗課件盡量真實地展示各種藥物組合之后發生的實驗現象。此外，還要善于開拓教學資源。如今，虛擬現實技術的發展催生了許多虛擬實驗室的出現，其中不乏針對高中化學設計的化學虛擬實驗室。這種實驗室以模擬現實實驗室為終極目標，具備完善的實驗室系統，其中包含“器材庫”“藥品庫”這樣的實物模擬模塊，也包含了完備的化學定律控制層面的程序模塊，虛擬的“軟環境”和“硬環境”使其更逼真地將學生帶入實驗。
比如，實驗室制備氯氣的反應。首先是裝置的組裝問題，教師根據學生的學習經驗，首先出示了實驗室制備二氧化碳的裝置，引導學生研究實驗室制備氣體的裝置組裝的要素。然后讓學生發揮主觀能動性，根據化學反應方程式的提示來組裝使用高錳酸鉀和濃鹽酸制備氯氣的裝置。一般地，多數學生都組裝出了包括反應裝置、集氣裝置、尾氣處理裝置三大塊在內的反應裝置。但是隨著教師進一步提出問題，這樣的裝置制備的氯氣純凈嗎？學生再次分析化學反應方程式發現，由于加熱的緣故，制備的氯氣中很可能含有KCl和水蒸氣。于是，又討論如何添加凈化裝置。最終，在虛擬實驗環境中組裝好了包括反應裝置、凈化裝置、集氣裝置和尾氣處理裝置的完整的氯氣制備裝置。隨后，根據討論時的結論一一添加藥品。過程中，學生表現出強烈的探究欲望，他們不滿足于高錳酸鉀制備氯氣的一種途徑，此時，教師引導學生自行探究使用氯酸鉀、漂白粉等制備氯氣的反應。
虛擬實驗的過程中，體現了這樣幾個常規實驗不能達到的優點。其一，教師采用了動畫演示的方式，將反應裝置中的生成物以不同顏色的箭頭標識清楚。這樣學生直觀地看到生成物并不是理想的單一化物質，而是還有我們不需要的雜質。隨著一步步的凈化，雜質逐步去除，學生明確了實驗中每一個實驗器皿中的藥品起到的作用。第二，隨著虛擬過程中裝置的一步步改進，學生掌握了化學實驗中需要考慮的因素，為今后的創新性探究創造了條件。第三，虛擬操作不能代替常規化學實驗操作帶給人的感受和收獲，但是虛擬操作為實踐操作更加順利地進行奠定了基礎。最后，方便的操作環境，幫助學生實現了他們多種途徑制備氯氣的想法，拓寬了學生思路，發展了學生的創造能力。
三、構建分子模型，呈現微觀世界
化學分子的微觀結構與物質的物理、化學性質之間關系密切，傳統的教學要么單純使用文字語言描述來表達分子結構，要么使用二維圖片做簡單演示，這些都制約了學生的空間想象能力。虛擬實驗室的出現，在微觀分子結構演示方面做出了巨大貢獻。采用三維技術處理的“三維分子”虛擬功能，提供了物質中各微粒組成的基本方式。我們可以自由組合這些“微粒”并以不同形態、色彩來標識微粒，幫助學生更加直觀地了解物質的構成，進而學習物質的化學性質。
第9篇：計算機分子模擬技術范文
關鍵詞：抗氧劑；酚；烷基化二苯胺
中圖分類號：TE624.82文獻標識碼：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
環保、節能是推動內燃機油升級換代的主要驅動力，隨著排放法規的不斷嚴格，對發動機排放的要求也越來越苛刻，從而大大加快了內燃機油升級換代的步伐。ILSAC（國際油規格委員會）于2009年底通過了最新的汽油機油規格GF-5，對內燃機油中的磷含量，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%；同時對油品的黏度增長、沉積物重量的要求也越來越高。例如，TEOST MHT-4中沉積物重量從GF-2規格的45 mg變為GF-4規格的35 mg，直至GF-5規格的30 mg；高溫熱氧化從ⅢE臺架試驗逐步升級為ⅢF、ⅢG，臺架評定中油溫也越來越高，而黏度增長變化率從375%下降為275%、150%[1-3]。
更高的使用溫度，更大的NOx含量，對油品的抗氧化性能要求更為苛刻，這對輔助型抗氧劑提出了新的要求；為滿足高檔內燃機油的發展，研制一種新型高溫抗氧劑是十分必要的。
1高溫抗氧劑的設計
針對內燃機油的發展趨勢，必然要根據其使用特點，來對抗氧劑展開針對性的研究。內燃機油對抗氧劑的要求，正是我們開發新型抗氧劑的著力點。
1.1高溫抗氧劑類型的確定
隨著環保要求的提高，大力發展低硫酸鹽灰分、低磷、低硫（Low-sulphated Ash， Phosphorus and Sulphur，低SAPS）油已成為高檔油研究領域中的一個重要趨勢[4]。作為輔助型抗氧劑，一般宜選用無灰型抗氧劑。常用的無灰型抗氧劑包括烷基化二苯胺（ADPA）和屏蔽酚類抗氧劑（HP），二者均為自由基中止劑，能夠有效地捕捉自由基。二者具有較好的協同效應，能夠有效地提高油品的抗氧化性能[5]，見圖1。
在配方中的使用發現：胺類抗氧劑能有效控制油品黏度增長，酚類抗氧劑能減少沉積物的生成，二者復配具有較好的協同效應。此種復配方式在GF-3級別汽油機油，甚至在柴油機油中得到廣泛使用，并且也可作為抗氧性能補強劑調合于油品之中[6]，見圖2。
1.2含硫組分的引入
現代內燃機油要求基礎油具有特別好的氧化安定性和很高的黏度指數，以滿足日益苛刻的使用性能要求。傳統的溶劑精制基礎油已難以滿足這一要求，Ⅱ類、Ⅲ類加氫油甚至聚α-烯烴合成油（PAOs）成為必然要求[7]。深加工工藝導致油品中天然抗氧組分的缺失，而且研究也發現加氫基礎油對含硫類抗氧劑具有良好的感受性[8-9]。同時油品中對磷含量的限制，導致二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）劑量減少，需補加具有過氧化物分解功能的添加劑。因此，考慮在酚類抗氧劑中引入硫元素，來提高油品的抗氧化性能。大量研究已經表明，含有一個硫醚基抗氧化官能團的屏蔽酚化合物，既能通過酚羥基均裂脫氫與ROO?反應來終止烴類分子的鏈式氧化反應，又可以通過硫醚基將ROOH分解為ROH，從而產生自協同抗氧效應，使含硫屏蔽酚具備比無硫屏蔽酚更優秀的抗氧化活性[5]，見圖3。
1.3高溫概念的引入
內燃機尺寸小型化、高速度、重負荷和大功率的發展趨勢使得油品的使用溫度越來越高，同時從臺架試驗的要求也可以看出，程序ⅢG、ⅥD等臺架的試驗溫度相比以前的程序Ⅲ、Ⅵ等臺架試驗，溫度逐步走高，這就要求輔助抗氧劑具有良好的熱穩定性。而塑料用抗氧劑具有較高的熱分解溫度和顏色穩定性，可以作為進行結構篩選的參考對象。而常用的屏蔽酚型塑料抗氧劑通常為雙酚甚至多酚結構，具有較大的分子量。因此，可考慮含硫的雙酚類抗氧劑。
1.4分子結構的構造
目前，計算機技術的迅猛發展和量子化學理論的完善，使得分子模擬技術日臻成熟，為我們從分子和原子水平上深入研究屏蔽酚的分子結構差異提供有效途徑。因此，可以通過計算機實驗的方法，獲得屏蔽酚的分子結構與抗氧化性能內在關系的系統認識，這對于指導設計開發新型屏蔽酚抗氧劑，優化高檔內燃機油配方體系和加快產品的研發進程，均具有重要的理論價值和實際意義[10]。
定量結構活性關系（Quantitative Structure-Activity Relationship，QSAR）或者定量結構性能關系（Quantitative Structure-Property Relationship，QSPR）方法能夠用數學方程來描述化合物的活性（或性能）與反映分子結構特征的參數之間的定量關系，從而將化合物的微觀結構與其宏觀性質成功地聯系在一起[11]。
參考現有含硫屏蔽酚的構效關系理念[12-13]，采用DFT方法優化得到含硫屏蔽酚分子的最低能量構象，詳細分析其幾何結構、Mulliken電荷布局和前線分子軌道性質，計算含硫屏蔽酚分子的BDE（O-H）。通過對含硫屏蔽酚的結構性能關系進行系統的量子化學研究，發現BDE（O-H）越小，其酚羥基捕獲ROO?的反應活性越高，高溫抗氧化性能越強；含硫屏蔽酚中的硫醚基可以將ROOH分解為相應的醇類化合物，而自身則被氧化生成亞砜或砜，在此反應過程中，硫醚基作為電子供給體，其提供電子的能力與含硫屏蔽酚分子分解ROOH的反應活性密切相關。S原子所帶Mulliken負電荷數的多少，反映了其周圍電子密度的相對高低，可以表征硫醚基提供電子能力的強弱。S原子的Mulliken負電荷數越多，說明硫醚基提供電子的能力相對越強。對于含硫屏蔽酚而言，較小的BDE（O-H）和較多的S原子Mulliken負電荷，有利于酚羥基和硫醚基同時發揮較強的反應活性，在捕獲ROO?的同時，也可以分解ROOH，從而顯著改善高溫抗氧化性能[10]。
因此，從改善抗氧化性能的角度出發，應該設計開發具有如下特點的含硫屏蔽酚：S原子Mulliken負電荷較多、O-H鍵解離能較低，這為新型屏蔽酚抗氧劑的開發提供了明確的方向。
2目標產物的合成
2.1產品結構
參考分子模擬計算結果的設計理念，結合實際使用情況，設計出如下分子結構的含硫雙酚型抗氧劑，見圖4。
2.2反應原理
高溫酚型抗氧劑的合成以屏蔽酚型抗氧劑和含硫化合物為原料，在催化劑作用下，合成含硫酚型抗氧劑SHP。
2.3產品制備
通過正交設計試驗，對合成產品的原料配比、催化劑用量、反應溫度、反應時間等進行了考察，優化了反應條件，合成產品中有效組分含量超過90%[14-16]。但所得產物為黏稠液態產物，不僅含有目標產物，也包括未反應原料、少量的副產物和反應所用的催化劑。因此，為得到純度相對較高的產品，需要對產品進行精制處理。
選用Waters DELTA600液相色譜，C18硅膠色譜柱，流動相為甲醇，流速為1 mL/min，吸收波長為254 nm[17]。其具體譜圖見圖5。
從圖6可以看出，精制后產品中目標產物的含量達到了99%以上。表明精制工藝具有良好的效果。
3性能評定及臺架數據
3.1合成產品熱穩定
采用熱失重（TGA）分析法，在氮氣氣氛下加熱合成樣品。TGA分析法是使樣品處于程序控制的溫度下，觀察樣品的質量隨溫度的函數。從產品的TGA圖上，可以看出隨溫度的上升，失重逐漸增大，一直到570 ℃左右，達到了完全失重，具體結果見圖7。
3.2復合產品抗氧劑性能
將含硫酚型抗氧劑與胺類抗氧劑進行復合，并進行了氧化誘導期（RBOT法）的評定。試驗所用基礎油為上海6#加氫油，加劑量為03%，具體結果見圖8。
從圖8可以看出，含硫屏蔽酚效果要優于屏蔽酚；復合抗氧劑的氧化誘導期均要明顯優于單劑，這表明酚胺復合具有良好的協同效應。
3.3復合抗氧劑在SL和CH-4配方中抗氧性能評價
程序ⅢF臺架試驗用于評定汽油機油的高溫氧化及抗磨性能，其指標包括機油變稠、漆膜沉積物、機油消耗和發動機磨損。其采用通行的GM 3800系列ⅡV-6發動機，其試驗時間為90 h，具體結果見表1。
3.4復合抗氧劑在SM配方中的性能評定
將復合抗氧劑RAO和其他參比劑以同等劑量加入到SM配方中，進行抗氧性能實驗室評價，其中TFOUT采用ASTM D4742方法進行，試驗溫度160 ℃，氧化誘導期實驗溫度為210 ℃，具體結果見表4。
3.5復合抗氧劑在SM配方中抗氧性能評價
選用RAO復合高溫氧劑，調合成SM級別汽油機油，進行臺架試驗[18]，具體結果見表5。
上述結果表明，含硫酚酯型抗氧劑與胺類抗氧劑復合所得抗氧劑在油品的高溫抗氧化能力方面具有良好表現。
4復合抗氧劑的理化指標
所得最終產品為酚胺復合產品，兩種類型抗氧劑復合具有良好的協同作用，在提高油品的抗氧化能力方面具有顯著效果，為保證產品的質量，對復合產品的理化指標進行了分析，具體結果見表6。
5結論
（1）根據內燃機油發展趨勢，結合分子模擬手段，確定了合成產品的結構，優化產品合成工藝，合成目標產品。
（2）復合抗氧劑產品性能指標穩定，采用RBOT、TFOUT、PDSC等方法對產品和復合抗氧劑相關性能進行評價，結果表明高溫抗氧劑具有較好的抗氧性能。
（4）在SL汽油機油、CH-4柴油機油中通過相關臺架試驗；在SM汽油機油中，通過程序ⅢG臺架試驗，滿足了高檔內燃機油的發展需求。
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