复杂物系的介观结构和dpd模拟

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1、万方数据第27卷第2期2005年3月南京工业大学学报JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOF’TECHNOLOGYV01．27No．2Mar．2005复杂物系的介观结构和DPD模拟冯剑，刘洪来，胡英(华东理工大学化学系，上海20c1237)摘要：耗散粒子动力学(DPD)模拟方法是研究复杂物系介观结构的一种重要手段。首先简要介绍了DPD模拟方法，然后介绍了实际物系与DPD模型映射的2种方法，即Groot和Warren方法以及Pa90nabarmga和Frenkel方法。最后对DPD模拟的理论和应用研究进展作了回顾

2、。关键词：复杂物系；介观结构；耗散粒子动力学中图分类号：0242．1文献标识码：A文章编号：167l一7643【2005102—0105—06共聚高分子和表面活性剂溶液是两个典型的具有多尺度结构的复杂物系。共聚高分子不同尺度的结构对其宏观性能有显著的影响，表面活性剂溶液则能够形成各种尺寸和形状的胶束和囊泡等结构，它们常常作为模板剂用于制备各种具有介观结构的材料⋯。从本质上来说，聚合物材料和表面活性剂溶液不同层次的结构是由分子的结构和相互作用决定的：首先，分子的结构和相互作用决定了分子的聚集形态，而聚集形态又决定了介观分相结构，

3、但至今尚没有一个合适的方法可以从分子结构和相互作用出发预测聚合物或表面活性剂溶液的介观结构和宏观性能。目前已发展了一些实验观察、理论分析和计算机模拟方法用以研究上述复杂物系的介观结构。实验观察复杂物系介观结构的方法主要有冷冻蚀刻和负染色rIEM、原子力显微镜(AFM)等方法，理论分析则主要有动态密度泛函理论¨J、TDGL理论”3和元胞动力学理论Ho等，而计算机模拟则可以采用MonteCarlo[5o和耗散粒子动力学模拟∞J。由于可以模拟较长时间内系统介观结构的演变过程，耗散粒子动力学(Dissipativepanicledyn

4、amics，DPD)方法目前受到国内外学者的广泛关注。本文对近年来DPD方法的理论进展和应用情况作一简要介绍。lDPD模型Hoogerblllgge和Koelman最早提出了DPD方法一]，其运动方程中力的部分类似于布朗动力学，包括了耗散力和随机力。Esp葫ol和w姗en川进一步研究指出耗散力和随机力中的权函数必须满足耗散涨落定理，从而奠定了DPD模拟方法的基础。在DPD模拟方法旧1中i粒子的运动方程为t=薹(F；+，；+F；)(1)右边第二项是耗散作用项，也就是流体力学作用，第三项是随机力，它们分别是F；=一拶。(ru)(～

5、·l，d)元(2)F；=们u8(rd)咿。(3)上式～=-一，J，～=I～l，毛=，u／～，l，F=’，i一■。其中叫。和埘8是与距离有关的权函数，它们之间必须满足耗散涨落定理‘6o伽o(rii)=[训8(r“)]，盯2=2y后Br(4)它们可以这样选择伽。cr。，=c缸，“cr。，，2={三1一r口／田；’_=三：；}c5，R；是耗散项的作用距离。pi提符合Gaussian分布的随机变量，满足(秽ii(￡))：O和(口。，(￡)巩，(t’))=(6i☆6n+6n6m)6(￡一￡’)。因而可以得出随机力的表达式为F：=盯卯8(

6、rd)玉△f一寺毛(6)其中fii是均值为0、方差为1的Gaussian分布的随机数。收稿日期：2004一ll—18基金项目：国家自然科学基金(No．嬲618，202360lO)项目；上海市教委E研究院一上海高校网格项目(200303)；上海市教委资助项目作者简介：冯剑(1969一)，男，安徽庐江人，博士，主要研究方向为计算机分子模拟。刘洪来(联系人)，教授，Email：hlliu@ecust．edu．cn．万方数据南京工业大学学报第27卷耗散项和随机项满足耗散涨落定理，则DPD模拟系统的哈密顿量为归1—2日(r'p)：∑鲁+

7、u。(7)日(r，P)=乞鲁+矿(7)l二，，6i因为系统的结构和静态性质决定于系统的哈密顿量，因此DPD系统的平衡结构和静态性质应该与耗散力和随机力无关。后者在模拟过程中主要起恒温作用。式(1)右边第一项为粒子间的相互作用力(保守力势)。Groot和waHen【81所用的软势形式为F：：f。“(1一r口／尺；)r“ri<尺；(8)⋯【ord≥R；其中oi提i粒子和，粒子间的最大作用力，尺：是i粒子和，粒子间作用力的截断距离，在模拟中一般取1。在对式(1)进行数值积分时，由于耗散力中含有速度项，这使得积分变得较为困难。针对这个

8、问题已经发展了几种积分格式，最简单的一种是修正VedocilyVedet算法。其形式如下‘(￡+△￡)=t(f)+△￡l，j(￡)+(△f)Z(￡)／2'，i(￡+△￡)=_l，i(f)+A△矾(t)，．、正(￡+△￡)=工(r(￡+△￡)，l’i(￡+△￡))。。l，i(f