分子模拟在化工中的应用

以共聚高分子材料、功能膜、纳米碳管和层柱状多孔材料等为研究对象，经典分子动力学模拟与蒙特卡罗模拟在对其介观层次的微相结构及其演变过程、界面结构以及小分子和胶体颗粒的吸附和传递进行研究中起到了重要的作用。通过分子模拟手段建立分子结构、材料的介观微相结构与材料的宏观性能之间的定性和定量关系，可以为复杂材料的合成、加工和应用提供理论指导和基础数据。介观多孔材料中流体相行为和传递性质的研究，致力于多孔氧化硅、活性炭纤维、介孔活性炭微球、碳纳米管、层柱材料、多金属复合钛酸盐功能陶瓷材料及大孔分子筛 MCM-41 等多孔材料的应用，研究氢、甲烷和二氧化碳等气体在孔道中的相行为、储存密度和输运过程，为筛选和制备实用的储能材料提供理论指导。

模拟和实验技术的结合是受限流体行为研究的重要技术发展方向，然而两者实际“结合”存在一定的困难，模拟研究被认为是“观察”受限下分子集群行为的有效工具，由于微观实验观测手段的缺乏或不够精密，实验研究者总希望模拟技术能把实验现象全部真实地重复出来，在揭示所有的机制后，对材料进行重新设计改良。与此同时，模拟研究者总期望实验能给出详尽的微观信息，再加以抽象进行模拟分析，这造成了模拟和实验的对话困难。因此，有必要在两者“定量”关联之前，进行模拟和实验的“定性互动”研究，即将分子模拟得到的“定性”认识，直接在实验中实践，优化实验方向。

随着电子计算机的普及及计算能力的提高，分子模拟方法的推广应用日益受到化学工程工作者的高度重视。模拟已逐渐从分子结构简单的体系扩展到分子结构复杂的体系，模拟粒子数已从一二百扩展到几千，并从单相扩展到多相、从均相扩展到非均相，位能函数也从简单扩展到复杂乃至要考虑量子效应。模拟方法也已从 MC 转至 MD，以模拟真正的动力学过程。MD 模拟方法也从平衡态模拟发展到加以外场的非平衡态模拟，并采用并行算法以提高计算效率。可以预料，分子模拟与化工的关系将更加紧密，它对化学工程的基础研究、工艺过程以及新产品的开发都会发挥更为明显的、不可替代的作用。

参考文献

[1]李以圭,刘金晨.分子模拟与化学工程[J].现代化工,2001(07):10-13+15.DOI:10.16606/ j.cnki.issn0253-4320.2001.07.003.

[2] 朱达, 郑婧. 分子模拟在化学工程中的应用与研究[J]. 现代职业教育, 2018(2):1.

[3] 吕玲红, 陆小华, 刘维佳,等. 分子模拟在化学工程中的应用[J]. 化学反应工程与工艺, 2014, 30(3):12.

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