服饰材料中分子动力学计算机模拟及应用展望

分子动力学计算机模拟及在服装材料中的应用展望

/许维　张四华

（武汉纺织大学　服装学院　湖北　武汉　430073）

摘　要:分子动力学计算机模拟在医药、生物、化学、机械、新能源和材料等学科中都有着广泛而重要的应用，尤其在材料科学领域应用相当广泛，而对于服装材料中目前应用较少。针对服装材料的物理化学性能改造，结合分子动力学模拟的特点，可以创造性和有指导性地提出对服装材料的改性设计和评定。将分子动力学应用在服装材料如皮革中，是一项非常有意义的研究。

关键词:分子动力学；服装材料；计算机模拟；应用

1　引言

随着社会的进步，科学技术迅猛发展，社会生活对各种新能源、新材料和医药等物质的需求越来越大。伴随着这种需求的扩大，对这些物质的开发也随之发展起来，科学家们不断地通过各种方法来满足这种需求。科学早期都是通过不断地对现在有资源进行改造和创新设计，但是这种通过大量实验的研究方法需要耗费大量的人力、物力以及时间，所以在这种情况下，用计算机模拟实验就得到了迅速发展，它可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息。尽管计算机模拟不能完全取代实验，但可以用来指导实验，为科研工作者们提供了重要的参考、指导实验、验证某些理论假设，降低试验的盲目性、成本低廉性等，而其中应用领域最广泛的就是分子动力学模拟。

2　分子动力学原理

分子动力学模拟（Molecular Dynamics，MD）是对物理系统的一个微观描述，在评估和预测材料结构和性质方面模拟原子和分子的一种物质微观领域中的重要模拟方法。通过计算机对原子核和电子所构成的多体体系中的微观粒子之间相互作用和运动进行模拟，把每一原子核视为在经验势场的作用下按照牛顿定律进行运动，进而得到体系中粒子的运动轨迹，再按照统计物理的方法计算得出物质的结构和性质等宏观性能。简而言之，即是应用力场及根据牛顿运动力学原理所发展的一种计算机模拟方法，是一种非常有效的计算机技术。

该方法最早由A1der于1957年引入分子体系。基本原理是通过牛顿经典力学计算物理系统中各个原子的运动轨迹，然后使用一定的统计方法计算出系统的力学、热力学、动力学性质。在分子动力学中，首先将由n个粒子构成的系统抽象成n个相互作用的质点，每个质点具有坐标（通常在笛卡儿坐标系中）、质量、电荷及成键方式，按目标温度根据Boltzmann分布随机指定各质点的初始速度，然后根据所选用力场中的相应的成键和非键能量表达形式对质点间的相互作用能以及每个质点所受的力进行计算。系统的初始位形和初始速度可以通过实验数据、理论模型或两者的结合来决定。接着依据牛顿力学计算出各质点的加速度及速度，从而得到下一步长（time step，通常1fs）后各质点新的坐标和速度。经一定的积分步数后，质点就有了运动轨迹，设定时间间隔对轨迹进行保存。最后可以通过轨迹对各种构象的能量、热力学、动力学、力学等性质进行分析，从而得到感兴趣的计算结果。

3　分子动力学的应用领域

3.1　生物化学领域

分子动力学用于蛋白质结构预测、折叠—去折叠、蛋白质—配体识别、核酸（DNA，RNA）结构模拟等分子生物领域。30年之前，首次报道了对蛋白分子，即牛胰岛素抑制剂（Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor，BPTI）的分子动力学模拟的研究。在这期间，分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation）已经发展成为一种经典可靠的方法来研究生物大分子，作为实验手段的补充。

如今，生物分子的分子动力学模拟主要有三个方面的应用。第一，分子动力学模拟可以使生物分子的结构生动活泼起来，提供在各个时间尺度上的动力学信息。第二，分子动力学模拟可以提供分子的热力学平均值，即根据各态历经假设（Ergodic Hypothesis），在对分子及其环境进行了一段时间的模拟之后所得到的时间平均的分子性质，可以接近于实验的测定值。第三，分子动力学模拟可以探索分子或复合物热力学可及的构象，这已经被应用到搜索分子的构象空间。

分子模拟与遗传算法、模拟退火、多维统计和模糊集合论等成为蛋白质的结构与功能预测的一种重要方法。科学家利用分子模拟技术，根据一种蛋白质的基因编码，准确地预测了它是怎样折叠成三维结构的。纽约州立大学石溪分校的Carlos Simmerling和他的同事们从分子量较小的蛋白质开始着手。他们研究了一种小分子量的人造蛋白质——色氨酸笼（Trpcage）。这种蛋白质仅由20个氨基酸构成。Berriz和Shakhnovich，模拟了小的三螺旋束蛋白的折叠，Daggett和Fersht模拟了小的单结构域蛋白的动力学折叠。Sanchez和Kiefhaber模拟了蛋白质折叠中二态模型和具有隐藏中间体的三态模型。

我国上海交通大学的汤孛使用分子动力学模拟的方法，研究了受磷蛋白单链前22个残基的肽段在不同条件下的结构以及对受磷蛋白单体和五聚体结构的研究，发现:这22个残基中的大部分残基可以在水环境中保持其螺旋状态，与风铃草结构的这一部分肽段的结构是一致的；受磷蛋白单链分别在胞质区和膜内区存在连续的螺旋肽段；胞质区螺旋肽段会倾向于弯折向膜内区螺旋肽段；膜内区的亮氨酸/异亮氨酸拉链结构很好地保持了五条链之间的紧密结构。

3.2　材料科学领域

分子动力学在材料科学中已有广泛的应用，在诸如材料断裂机理、金属间化合物的面缺陷能、晶体稳定性、金属熔化过程、薄膜生长、金属表面沉积过程、纳米材料以及特殊条件下计算机模拟等方面有着广泛的研究。(www.xing528.com)

国外许多学者利用分子动力学技术计算液态金属的结构及热力学性质。波兰的Janusz等利用多体相互作用，借助分子动力学技术计算了Ag、Au、Cu、Ni等面心立方金属的热力学性质。Holzman等利用EAM势计算了面心立方金属液—气界面的特性，所得密度、内能、结构因子等结果与实验吻合得相当好。N.Tajima等采用EAM势模拟了面心立方金属的点缺陷。液态向非晶态的转变过程也是非常值得研究的问题，并已经引起国外学者的重视。此外，分子动力学方法在相变、裂纹萌生与扩展等方面也有广泛的应用。如K.Kadau等运用分子动力学方法模拟了烧结Fe—Ni纳米颗粒的马氏体转变。

在国内，中国科学技术大学采用镶嵌原子模型研究了液态Cu在不同冷却条件下的晶化与玻璃化行为。模拟结果表明，在较慢的冷却条件下，液态Cu形成晶态；在较快的冷却条件下，液态Cu形成非晶态。与晶态Cu比较，金属玻璃Cu有较高的能量和较大的体积，其内部晶格畸变导致了本征应力的存在。上海中科院的Zhou G选用EAM势研究了液态金属金的凝固行为，发现冷却速率对金属的最终结构有很大的影响，不同的冷却速率产生不同的结构。

中国科学技术大学的韩立波在“铜缺陷熔化及其冲击力学行为的分子动力学模拟”一文中综述了纳米尺度下材料的热力学行为，对如何采用分子动力学这一原子模拟技术分析材料热力学性能的数值方法进行了深入系统的阐述。采用分子动力学方法模拟了单晶铜的缺陷熔化过程，铜在静高压和冲击高压下的熔化过程，以及铜的冲击断裂过程，探讨了铜在冲击断裂中的一些力学行为。同时，还利用分子动力学模拟了纳米铜球粒子在撞击刚壁过程中的弹塑性行为。

中国科技大学的杨鹏军运用分子动力学成功模拟了单壁碳纳米管诱导具有纯粹二级结构多肽的变性过程。在分子尺度上揭示了a螺旋可以改变为随机形态，而13发卡多肽由于柔软的带状形态可以保持稳定的二级结构。在变性过程中，范德华作用、疏水作用和碳纳米管的形态对构象的改变均有一定的影响。侧链和主链、主链和主链之间的氢键是竞争性的，而侧链和侧链之间的氢键则起到稳定构象的作用。

北京大学核物理与核技术国家重点实验室的何斌、薛建明等利用分子动力学方法模拟了SiC材料的辐照损伤过程，对缺陷的产生规律以及电子能损的影响进行了研究。结果表明，电子能损的影响主要体现在级联碰撞过程中移位原子峰值的增大，对系统稳定后最后的缺陷数量影响不明显，缺陷对个数与核能损仍然保持幂函数的关系。

武汉理工大学的柯龙燕以分子动力学方法为手段，以大规律分子动力学并行模拟器LAMMPS为工具，研究了CoSb₃单晶块体和单晶薄膜的拉伸力学性能，并且分析了拉伸应变率和系统温度对其力学性能的影响；模拟了方钴矿热电材料的服役环境下CoSb₃单晶块体和单晶薄膜的力学性能，分析了不同数目Sb原子空位对CoSb₃单晶块体和单晶薄膜的力学性能的影响。

4　分子动力学在服装材料中的应用展望

在服装材料技术中，仿真技术日益发展。在最近的一项研究中，成都理工大学的赵惠青在虚拟服装设计中的面料仿真与碰撞检测算法研究中，运用动力分子学实现了面料的三维仿真。面料的物理模型是一个基于动力学的仿真模型，其运动结构实质是在外力和内力作用下质点运动的动态过程，可通过对各质点的动力学常微分方程（Ordinary Differential Equation，简称ODE）的数值求解获取。

实际应用中，针对柔性面料动态仿真的特点，在选取常微分方程过程中需考虑系统规模、求解精度、刚体和仿真等问题，不同的常微分方程有不同的初值选取，须慎重考虑系统要求。

结合上文所介绍的分子动力学模拟原理以及分子动力学在生物物理中的应用，从理论上来说，可以通过分子动力学模拟技术对服装材料的性能改性做出指导性和创造性的建议。例如，服装材料中的皮革，皮革在很多性能方面都超过了真皮，比如强度高、色泽鲜艳丰富、耐用性持久等。但是在服用性能方面，皮革的吸水透湿性能就不如真皮。随着人们生活水平的提高，人们对于服装的需求也在进一步夸大因此就迫切需要开发生产服用性能更加优良的服装材料。对于皮革，目前已经出现的研究是通过超细粉体改性其服用性能，这种添加粉体改性皮革的方法是建立在大量的实验基础上的，通过无数次的实验结果对比分析才能得出一个相对较好的改进技术。这些都是在宏观方面的实验改进，是通过与真皮性能比较来评定的。真皮的主要构成是蛋白质分子，因此可以利用分子动力学模拟真皮和皮革，通过比较分析，从微观上来分析确定使真皮具有优良服用性能的决定因素，即真皮分子的特殊空间结构和关键基团，以此来指导皮革的改性和实验，给实验于强有力的理论基础，减少了实验的盲目性和探索性，更加直接地、有针对性地改进服装材料服用性能。同时还有利于在实验设备及环境等条件限制之下，对现有服装材料进行创造性的设计，有助于新型服装材料与功能性服装材料的开发。

5　结语

服装用材料性能研究与分子动力学计算机模拟技术相结合，这将是一种新的研究方法和对分子动力学应用范围的扩展，是服装材料研究人员的一种新的尝试，具有相当大的开发前景。

参考文献

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