ChemNet
 
 Химический факультет МГУ

Добро пожаловать на сервер ChemNet

Методы компьютерного моделирования для исследования полимеров и биополимеров  

Методы компьютерного моделирования
для исследования полимеров и биополимеров

Отв. ред. к.ф-м.н. В.А.Иванов, д.ф-м.н. А.Л.Рабинович, акад. А.Р.Хохлов.
М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009, — 696 с, цв. вкл.
М.: Научный мир, 2009. - 328 с: 169 ил.,
ISBN 978-5-91522-133-7

Настоящая книга знакомит читателя с актуальными проблемами и основными направлениями исследований в области компьютерного моделирования полимерных и биополимерных систем. Она содержит описание основных методов и алгоритмов компьютерного моделирования, дает общий обзор их развития. Большое внимание уделено изложению общих принципов реализации полной схемы так называемого мультимасштабного моделирования. Обсуждаются методы моделирования на разных (микроскопических, мезоскопических и макроскопических) пространственных и временных масштабах: квантово-химические методы, атомистическая и огрубленная молекулярная динамика, метод Монте-Карло, метод стохастической динамики, теоретико-полевые методы самосогласованного среднего поля, функционала плотности, нелинейных интегральных уравнений теории жидкостей, феноменологические методы решения уравнений в сплошных средах, полуэмпирические методы расчета физических свойств полимеров на основе вкладов отдельных атомов и (или) атомных групп и др. Приведены примеры изучения свойств различных молекулярных систем с помощью компьютерного эксперимента.
Книга предназначена для специалистов в области физико-химии молекулярных систем, в частности полимеров и биополимеров, использующих в работе методы компьютерного моделирования, а также для студентов и аспирантов - физиков, химиков, биологов, специализирующихся в соответствующих областях науки; книга может быть использована для начального знакомства с этой областью исследований, а также для справочных целей.

Оглавление
Литература
Предисловие 13
Литература 15
Глава 1. Методы квантовой и молекулярной механики в моделировании механизмов реакций ферментативного катализа
А. В. Немухин, С. В. Лущекина, С. Д. Варфоломеев 		17
Введение 18
1. Реализации комбинированного метода КМ/ММ 19
2. Полный цикл гидролиза ацетилхолина ферментом ацетилхолинэстеразой 21
3. Влияние выбора квантовой подсистемы на точность расчетов 26
4. Иллюстрация корреляций «структура — свойство» в ферментативном катализе 28
Заключение 32
Литература 33
Глава 2. Компьютерное моделирование молекулярной динамики
Н. К. Балабаев, К. В. Шайтан 		35
Введение 36
1. Описание молекулярной динамики 37
2. Межмолекулярные взаимодействия 41
2.1. Метод Верле (составление списков) 43
2.2. Метод сканирования по пространству (присоединенные списки) 44
3. Численное интегрирование уравнений движения 46
4. Учет влияния внешней среды. Термостаты 49
5. Вычисление давления в малых молекулярных системах 53
6. Баростат Берендсена 58
7. Пример программного манипулятора 59
Литература 61
Глава 3. Обзор методов компьютерного моделирования молекулярных систем: метод Монте-Карло
А. Л. Рабинович, В. А. Иванов 		63
Введение 64
1. Метод Монте-Карло 67
2. Модельные подходы конформационного анализа для одиночной полимерной цепи 71
3. Модельные цепи и алгоритмы 74
3.1. Принципы построения классификации моделей и методов 74
3.2. Статические методы Монте-Карло для полимерных систем 77
3.3. Динамические методы Монте-Карло для полимерных систем 83
3.4. Методы улучшения выборки и ускорения сходимости 87
3.5. Методы Монте-Карло для моделирования фазового равновесия и вычисления свободной энергии 91
3.6. Метод расширенных ансамблей 44
3.7. Мультиканоническое моделирование и алгоритм Ванга—Ландау 97
3.8. Некоторые другие схемы 100
4. Континуум-модель генерирования конформаций цепных молекул 101
5. Применение мультиканонического метода для модели Изинга 105
Заключение 110
Литература 111
Глава 4. Методы Монте-Карло в обобщенных ансамблях для моделирования полимеров
П. Н. Воронцов-Вельяминов, Н. А. Волков, А. А. Юрченко, А. П. Любарцев 		121
Введение 122
1. Метод Монте-Карло в классической статистической механике 123
1.1. Общий подход 123
1.2. Алгоритм безусловных случайных блужданий 124
1.3. Метод Метрополиса 125
1.4. Метод энтропического моделирования 126
1.5. Алгоритм Ванга—Ландау 127
1.6. Метод расширенных ансамблей  128
2. Континуальные модели 132
2.1. Свободносочлененная цепь. Атермический случай 132
2.2. Свободносочлененная цепь. Термический случай 135
2.3. Цепь с фиксированным валентным углом. Модель углеводородов 142
2.4. Цепь с фиксированным валентным углом. Модель полипептидов 149
3. Решеточные модели 152
3.1. Общий подход и проверка метода 152
3.2. Свободные и замкнутые цепи. Атермический случай 155
3.3. Свободные и замкнутые цепи. Термический случай 158
3.4. Модель гибкого полиэлектролита на решетке 166
Заключение 171
Литература 172
Глава 5.Мультимасштабное моделирование и обратный метод Монте-Карло
А. П. Любарцев 		175
Введение 176
1. Сокращение степеней свободы при мультимасштабном моделировании 177
2. Обратный метод Монте-Карло: восстановление потенциала взаимодействия по известной функции радиального распределения 178
3. Вычисление атом-атомных эффективных потенциалов из данных ab initio моделирования 182
4. Вычисление эффективных потенциалов при неявном описании растворителя. Применение к ионным и полиионным растворам 184
5. Эффективные потенциалы для упрощенной модели липидов.Применение для моделирования морфологических свойств мембранных поверхностей 187
Заключение 190
Литература 191
Глава 6.Гибридная самосогласованная схема MC/RISM для компьютерного моделирования полимерных систем
П. Г. Халатур 		193
Введение 194
1. Частицы и поля 195
2. Редуцированное описание 200
3. Общая вычислительная схема 204
4. RTSM-теория для полимеров 205
4.1. pRISM-приближение 205
4.2. Бикомпонентные системы 210
4.3. Разбавленные полимерные растворы 212
4.4. Сополимеры 213
4.5. Макромолекулы в порах и средах с замороженным беспорядком 214
4.6. Агрегация частиц 216
4.7. Атомные и молекулярные уравнения замыкания 218
Глава 7. Компьютерное моделирование фазового равновесия в растворах жесткоцепных полимеров
В. А. Иванов, Ю. А. Мартемьянова, М. Р. Стукан 		275
Введение 276
1. Описание модели и алгоритмов  278
1.1. Модель цепи с флуктуирующей длиной связей 279
1.2. Моделирование в расширенном ансамбле в четырехмерном пространстве 281
1.3. Алгоритм Ванга—Ландау 283
1.4. Моделирование в большом каноническом ансамбле с использованием алгоритма с конформационным смещением выборки 287
2. Компьютерное моделирование одиночной жесткоцепной макромолекулы  288
2.1. Одиночная жесткоцепная макромолекула в предельно разбавленном растворе 289
2.2. Одиночная жесткоцепная макромолекула вблизи плоской поверхности 294
3. Компьютерное моделирование полуразбавленных и концентрированных растворов жесткоцепных макромолекул 301
3.1. Фазовая диаграмма раствора жесткоцепных макромолекул 301
3.2. Методы измерения давления в решеточных моделях Монте-Карло для расчета уравнения состояния полимерного раствора 304
3.3. Растворы жесткоцепных макромолекул в условиях пространственных ограничений  308
Заключение 310
Литература 310
Глава 8. Конструирование последовательностей макромолекул
А. В. Чертович, А. Р. Хохлов 		317
1. Введение: биополимеры, нанотехнологии и создание искусственных ферментов 318
2. Сворачивание белков в уникальную пространственную структуру. Гетерополимер со случайной последовательностью как модель глобулярного белка 321
3. Белковоподобные АВ -сополимеры: пример конформационно-зависимого синтеза 327
4. Другие примеры конформационно-зависимого синтеза 330
5. Эволюционные алгоритмы синтеза первичных последовательностей. Концепция температуры последовательности 332
6. Обсуждение и выводы 336
Литература 338
Глава 9. Инверсия заряда дендримера в комплексах с линейными полиэлектролитами
С. В. Люлин, А. В. Люлин, А. А. Даринский 		339
Введение 340
1. Модель дендримера и линейной цепи  342
2. Эффект инверсии заряда 345
3. Средний квадрат радиуса инерции 347
4. Радиальная функция распределения плотности мономеров 349
5. Интегральная функция распределения массы 351
6. Интегральная функция распределения заряда внутри комплекса 352
7. Фазовый переход в конформации цепи 353
Заключение 354
Литература 355
Глава 10. Атомистическое моделирование деформированных полимерных стекол: временные масштабы и механизмы релаксации
А. В. Люлин, М. А. Й. Михелс 		357
Введение 358
1. Модель и алгоритм моделирования 359
2. Охлаждение полимерных расплавов 360
3. Одноосная деформация 363
4. Стеклообразные полимеры, полученные отжигом 363
5. Стеклообразные полимеры, полученные закалкой 365
6. Вынужденное старение образцов 365
7. Вынужденное омоложение отожженных полимеров 366
8. Термически и механически омоложенные стеклообразные полимеры 367
Заключение 368
Литература 368
Глава 11. Молекулярно-динамическое моделирование термомеханического поведения слоистых нанокристаллов
М. А. Мазо 		371
Введение 372
1. Структура слоистых силикатов 374
2. Молекулярные модели и атомные потенциалы 376
3. Моделирование ламели пирофиллита 378
3.1. Методика проведения МД экспериментов 378
3.2. Структура ламели и ее тепловое расширение 378
3.3. Расчет компонент тензора упругости 381
3.4. Определение изгибных и торсионной жесткостей 387
4. Моделирование гидратированного кристалла монтмориллонита 388
4.1. Молекулярная модель и методика моделирования 389
4.2. Коэффициенты температурного расширения 391
4.3. Расчет компонент тензора упругости 391
4.4. Термомеханические свойства водной прослойки 394
5. Кристалл монтмориллонита, интеркалированный полиэтиленоксидом 395
5.1. Молекулярная модель 396
5.2. Расчет коэффициентов температурного расширения 400
5.3. Вычисление модулей упругости 401
Заключение 404
Литература 405
Глава 12. Цепные молекулы как компоненты мембранных систем: компьютерное моделирование
А. Л. Рабинович 		409
Введение 410
1. Природные мембраны: состав, подходы к изучению 411
2. Модели структурной организации природных мембран 413
3. Полиморфизм липидных молекул 416
4. Углеводородные цепи молекул природных липидов 417
5. Объекты и методы исследования 419
5.1. Метод Монте-Карло 419
5.2. Метод молекулярной динамики 427
6. Равновесная гибкость углеводородных цепей 427
7. Конформации полиеновой цепи в кристаллическом состоянии 431
8. Характеристики упорядочения связей 433
8.1. Внутримолекулярное упорядочение связей 433
8.2. Упорядочение связей в бислоях 437
8.3. Параметры порядка связей 438
8.4. Форма ориентационных функций распределения 439
8.5. Температурная зависимость формы ориентационных функций распределения 441
9. Пространственные флуктуации атомов в бислоях 443
10. Полиеновые углеводородные цепи липидов:
структура, свойства, функции 		445
Заключение 449
Литература 450
Глава 13. Молекулярно-динамическое моделирование ненасыщенных фосфолипидных бислоев с высоким содержанием холестерина .
В. В. Корнилов, А. Л. Рабинович, Н. К. Балабаев 		455
Введение 456
1. Описание математической модели 458
2. Площади поперечного сечения 466
3. Профили плотности масс атомов 467
4. Профили параметров порядка связей 469
5. Ориентационные функции распределения связей 474
6. Средние расстояния между концевыми атомами углерода липидных цепей 478
7. Коэффициенты латеральной самодиффузии 480
Заключение 485
Литература 485
Глава 14. Молекулярная динамика и диффузия в биомембранах с различным липидным составом
К. В. Шайтан, М.Ю. Антонов, Е.В. Турлей, О.В. Левцова, К. Б. Терешкина, И.Н. Николаев 		491
1. Динамика биомембран и латеральная диффузия липидов 492
2. Диссипативные свойства и диффузия малых молекул через мембраны 499
502
Глава 15. Молекулярный дизайн наноконтейнеров на основе углеродных нанотрубок
К. В. Шайтан, Е. В. Турлей, Д. Н. Голик, И. Н. Николаев 		505
1. Материалы и методы 507
1.1. Нанотрубка 508
1.2. Внутреннее содержимое нанотрубки 508
1.3. Ван-дер-ваальсовы сферы 509
1.4. Липидный бислой 509
1.5. Динамика абсорбции молекул нанотрубкой 510
1.6. Моделирование «нанопушки» 510
2. Результаты и обсуждение 511
2.1. Абсорбция холестерина 511
2.2. Взаимодействие полипептида с нанотрубкой 512
2.3. Наношприц в действии 514
Литература 516
Глава 16. Моделирование деформирования полимеров на основе определяющих соотношений механики сплошных сред
С. А. Тиман, М. Ю. Шамаев, В. Г. Ошмян 		519
Введение 520
1. Вязкопластическая модель больших деформаций 523
1.1. Кинематика 523
1.2. Описание структуры однофазного полимера 524
1.3. Упругие соотношения модели 524
1.4. Кинетика накопления остаточных деформаций 525
1.5. Эволюция структуры полимера 527
2. Структурная модель неоднородного полимерного материала 528
2.1. Постановка краевых задач 528
2.2. Алгоритм решения краевых задач 529
3. Некоторые результаты моделирования и их обсуждение 531
3.1. Режимы нагружения и значения параметров модели 531
3.2. Деформирование однофазного полимера 531
3.3. Бифрагментная модель аморфно-кристаллического полимера 537
3.4. Неустойчивость больших деформаций однофазного полимера 541
3.5. Закономерности деформирования и разрушения полимерных композитов 543
Заключение 548
Литература 549
Глава 17. Моделирование больших молекулярных агрегатов с использованием параллельных вычислений методом Монте-Карло
А. В. Теплухин 		553
Введение 554
1. Методические аспекты параллельных вычислений методом Монте-Карло 554
1.1. Стандартная процедура расчета структурных и энергетических характеристик воды методом Монте-Карло («последовательный» алгоритм) 554
1.2. «Параллельный» алгоритм метода Монте-Карло для моделирования воды 556
1.3. «Параллельный» алгоритм метода Монте-Карло для более сложных объектов 560
2. Структура водной оболочки двуспиральных додекамеров ДНК 561
3. Структура смесей н-пентана с углеродными частицами С38 564
4. Структура и сдвиговая упругость блока молекул н-С100H202 566
Литература 569
Глава 18. Возможности предсказания свойств линейных и сетчатых полимеров и компьютерного синтеза полимеров с заданными свойствами
А. А. Аскадский 		571
Введение 572
1. Линейные полимеры 574
1.1. Плотность 574
1.2. Температура стеклования линейных полимеров 574
1.3. Термический коэффициент объемного расширения 575
1.4. Энергия межмолекулярного взаимодействия и ее компоненты 576
1.5. Температура начала интенсивной термической деструкции 577
1.6. Температура плавления 578
1.7. Показатель преломления 579
1.8. Плотность энергии когезии (параметр растворимости, параметр Гильдебранда) 579
1.9. Поверхностное натяжение 579
1.10. Критерий растворимости полимеров в органических растворителях 582
2. Сетчатые полимеры 584
2.1. Температура стеклования 585
2.2. Равновесный модуль высокоэластичности 586
2.3. Оценка состава микрофаз при микрофазовом расслоении 587
3. Компьютерный синтез полимеров с заданными свойствами 587
Литература 588
Глава 19. Солитонные возбуждения в полимерных системах
А.В.Савин 		589
Введение 590
1. Акустические солитоны в плоской зигзагообразной макромолекуле полиэтилена и спиральной макромолекуле политетрафторэтилена . 590
1.1. Солитоны растяжения в макромолекуле ПЭ 591
1.2. Солитоны растяжения в макромолекуле ПТФЭ 600
2. Уединенные плоские волны в графитовом слое и солитоноподобные возбуждения в углеродной нанотрубке 612
2.1. Структура графитового слоя 612
2.2. Дисперсионное уравнение плоских волн в графитовом слое 614
2.3. Уединенные плоские волны в графитовом слое 616
2.4. Структура углеродной нанотрубки 618
2.5. Дисперсионное уравнение продольных волн в нанотрубке 619
2.6. Солитоноподобные возбуждения нанотрубок 621
3. Топологические солитоны в квазиодномерном полимерном кристалле 626
3.1. Топологические солитоны в кристаллическом ПЭ 626
3.2. Топологические солитоны в кристаллическом ПТФЭ 643
4. Бризеры в макромолекуле ПЭ 653
Заключение 660
Литература 661
Авторы сборника и лекторы конференции I
Предметный указатель XI

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
 Написать письмо редактору