分子模擬在化學工程中的應用與研究

朱達　鄭婧

[摘 要] 近年來，隨著計算機科學技術的飛速發(fā)展，同時結合化工學科多年來形成的理論和實驗研究，產生了一種新穎的研究手段——分子模擬。分子模擬是研究物質結構、性質關系的強大工具，實現(xiàn)了化學工業(yè)從產品到過程設計的完全自動化。針對整個過程的量子化學計算、分子動力學研究等作出了闡述，體現(xiàn)了分子模擬在化學工程、產品開發(fā)中的巨大作用。

[關 鍵 詞] 分子模擬；量子化學計算；化學工程；分子動力學

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）02-0183-01

化學工業(yè)產生于19世紀末一些重要物質（如氨、堿、硫酸、金屬、化肥等）的大規(guī)模制造，繁榮于20世紀中葉那個不斷為社會提供激動人心的新物質（如有機殺蟲劑、合成塑料、合成橡膠、人造纖維、抗生素等）的年代。這些物質深刻地改變了整個人類的生活面貌。當然其中有些物質在帶給人類巨大福祉的同時也帶來了災難，典型的如四乙基鉛、DDT、氟里昂以及越來越被重視的白色污染——塑料。當今化學工業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)是如何推出性能優(yōu)越、功能齊備的新產品新材料，推動社會的進步，為此必須尋求一種指導開發(fā)新產品、新材料的科學理論。因而在對物質科學的認識達到了前所未有高度的今天，如何理性地發(fā)現(xiàn)與合成物質并深入地探討分子結構與宏觀材料和產品性質之間的關系已經成為化學工程的重要研究課題。分子模擬及分子設計對化工新產品、新材料、生物醫(yī)藥制品等的開發(fā)起到至關重要的作用。

分子模擬，即利用計算機以原子水平的分子模型來模擬分子的行為，進而模擬分子體系的各種物理、化學性質的方法。它是在實驗基礎上，通過基本原理，構筑起一套模型和算法，從而計算出合理的分子結構與分子行為。分子模擬不僅可以模擬分子的靜態(tài)結構，也可以模擬分子體系的動態(tài)行為。在化工行業(yè)受到關注的技術主要有單元操作集成技術、表面及界面技術、膜技術、超臨界技術、納米技術、生物化工技術等，這些技術涉及聚合物以及生物活性等復雜分子，除了通過繁雜的實驗獲得相應的化合物的物性數(shù)據(jù)外，利用分子模擬技術已經可以很方便地獲得許多有用的性質（如狀態(tài)方程、臨界常數(shù)、反應熱，甚至可以得到化合物反應過渡態(tài)的結構式），大大促進了研究者對復雜反應機理的認識。分子模擬方法不僅可以直觀了解系統(tǒng)的微觀結構，而且計算的結果可用于檢驗和改進各種經驗或半經驗模型，另外它可以直接提供實驗數(shù)據(jù)，特別是在某些極端條件，如高溫高壓或低溫高壓以及實驗設備十分昂貴或試劑有劇毒時，分子模擬方法更顯示其優(yōu)越性。

分子模擬一般包括基于量子化學的模擬和基于統(tǒng)計力學的模擬。在量子化學的層次上主要是通過求解薛定諤方程得到分子的勢能面和相應的波函數(shù)，進而可以得到分子的鍵能、鍵角、偶極矩以及光譜性質等一系列數(shù)據(jù)，當然，對多電子體系，只能通過各種近似方法大致計算出分子的波函數(shù)以及相關的物理性質。在化工生產中類似聚合物這樣的大分子，便無法利用上述的量子化學的計算方法來解決。現(xiàn)今，一般采用分子力學的方法來處理這些“大分子”，即用力場來描述分子中各個原子之間的作用力（這里提到的力場即為描述原子間作用的數(shù)學函數(shù)以及相關的參數(shù)）。通過數(shù)學函數(shù)的選擇及參數(shù)的優(yōu)化便可以得到與體系符合的狀態(tài)方程，從而可以更好地認識反應的機理。統(tǒng)計力學層次是和實際生產最為接近的層次（相較于量子力學層次），在化工生產中更關心的是物質的宏觀性質（如擴散系數(shù)、熱導率、比熱容等），而量子力學計算只能得到單個分子的相關性質，而物質的宏觀性質是由大量分子的相互作用所表現(xiàn)出來的。為了解決這個問題，在前者的基礎之上，結合統(tǒng)計力學的研究方法，對大量分子進行理論計算與模擬實驗便可以得到與實際生產相關的物理化學數(shù)據(jù)。

利用分子模擬技術可以研究分子的微觀結構、模擬研究相界面、研究分子的擴散性質等。以模擬分子的擴散為例，目前擴散系數(shù)主要來源于實驗數(shù)據(jù)或半經驗方程的估算，首先通過收集大量的動力學數(shù)據(jù)進行擬合，從而得到相應的擴散方程，然后在不同的狀態(tài)下進行校正，進而獲得與實際生產相符的模型，通過分子模擬往往可以代替昂貴的實驗設備，節(jié)省大量的人力物力，并獲得與實際大致相符的結果。

目前由微擾理論、積分方程理論和密度泛函理論導出的理論公式或模型已有很多，并且在化工界已普遍應用。這些公式雖存在一定的近似性，但可借助于分子模擬方法來修正及校驗，因此兩者間的相互校驗是十分必要的，這樣可以取長補短。在此基礎上，借助于分子模擬可以從經驗平均公式演化為理論公式或改進已有的理論模型來形成新的熱力學理論模型和傳遞性質模型。

當今化學工業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)是如何推出性能優(yōu)越、功能齊備的新產品新材料，推動社會的進步，為此必須尋求一種指導開發(fā)新產品、新材料的科學理論。毫無疑問，分子模擬便是一種極為方便快捷的方式。本文主要對分子模擬做了相關闡述解釋，表明分子模擬是實現(xiàn)物質結構—性質關系研究的強大工具。分子計算科學是和化學工程密切相關的物質科學的前沿之一，相信它會為化學工程這樣一門相對古老的學科注入新的活力。

參考文獻：

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