分子模拟在化学工程中的应用与研究

朱达　郑婧

[摘 要] 近年来，随着计算机科学技术的飞速发展，同时结合化工学科多年来形成的理论和实验研究，产生了一种新颖的研究手段——分子模拟。分子模拟是研究物质结构、性质关系的强大工具，实现了化学工业从产品到过程设计的完全自动化。针对整个过程的量子化学计算、分子动力学研究等作出了阐述，体现了分子模拟在化学工程、产品开发中的巨大作用。

[关 键 词] 分子模拟；量子化学计算；化学工程；分子动力学

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）02-0183-01

化学工业产生于19世纪末一些重要物质（如氨、碱、硫酸、金属、化肥等）的大规模制造，繁荣于20世纪中叶那个不断为社会提供激动人心的新物质（如有机杀虫剂、合成塑料、合成橡胶、人造纤维、抗生素等）的年代。这些物质深刻地改变了整个人类的生活面貌。当然其中有些物质在带给人类巨大福祉的同时也带来了灾难，典型的如四乙基铅、DDT、氟里昂以及越来越被重视的白色污染——塑料。当今化学工业面临的巨大挑战是如何推出性能优越、功能齐备的新产品新材料，推动社会的进步，为此必须寻求一种指导开发新产品、新材料的科学理论。因而在对物质科学的认识达到了前所未有高度的今天，如何理性地发现与合成物质并深入地探讨分子结构与宏观材料和产品性质之间的关系已经成为化学工程的重要研究课题。分子模拟及分子设计对化工新产品、新材料、生物医药制品等的开发起到至关重要的作用。

分子模拟，即利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的行为，进而模拟分子体系的各种物理、化学性质的方法。它是在实验基础上，通过基本原理，构筑起一套模型和算法，从而计算出合理的分子结构与分子行为。分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子体系的动态行为。在化工行业受到关注的技术主要有单元操作集成技术、表面及界面技术、膜技术、超临界技术、纳米技术、生物化工技术等，这些技术涉及聚合物以及生物活性等复杂分子，除了通过繁杂的实验获得相应的化合物的物性数据外，利用分子模拟技术已经可以很方便地获得许多有用的性质（如状态方程、临界常数、反应热，甚至可以得到化合物反应过渡态的结构式），大大促进了研究者对复杂反应机理的认识。分子模拟方法不仅可以直观了解系统的微观结构，而且计算的结果可用于检验和改进各种经验或半经验模型，另外它可以直接提供实验数据，特别是在某些极端条件，如高温高压或低温高压以及实验设备十分昂贵或试剂有剧毒时，分子模拟方法更显示其优越性。

分子模拟一般包括基于量子化学的模拟和基于统计力学的模拟。在量子化学的层次上主要是通过求解薛定谔方程得到分子的势能面和相应的波函数，进而可以得到分子的键能、键角、偶极矩以及光谱性质等一系列数据，当然，对多电子体系，只能通过各种近似方法大致计算出分子的波函数以及相关的物理性质。在化工生产中类似聚合物这样的大分子，便无法利用上述的量子化学的计算方法来解决。现今，一般采用分子力学的方法来处理这些“大分子”，即用力场来描述分子中各个原子之间的作用力（这里提到的力场即为描述原子间作用的数学函数以及相关的参数）。通过数学函数的选择及参数的优化便可以得到与体系符合的状态方程，从而可以更好地认识反应的机理。统计力学层次是和实际生产最为接近的层次（相较于量子力学层次），在化工生产中更关心的是物质的宏观性质（如扩散系数、热导率、比热容等），而量子力学计算只能得到单个分子的相关性质，而物质的宏观性质是由大量分子的相互作用所表现出来的。为了解决这个问题，在前者的基礎之上，结合统计力学的研究方法，对大量分子进行理论计算与模拟实验便可以得到与实际生产相关的物理化学数据。

利用分子模拟技术可以研究分子的微观结构、模拟研究相界面、研究分子的扩散性质等。以模拟分子的扩散为例，目前扩散系数主要来源于实验数据或半经验方程的估算，首先通过收集大量的动力学数据进行拟合，从而得到相应的扩散方程，然后在不同的状态下进行校正，进而获得与实际生产相符的模型，通过分子模拟往往可以代替昂贵的实验设备，节省大量的人力物力，并获得与实际大致相符的结果。

目前由微扰理论、积分方程理论和密度泛函理论导出的理论公式或模型已有很多，并且在化工界已普遍应用。这些公式虽存在一定的近似性，但可借助于分子模拟方法来修正及校验，因此两者间的相互校验是十分必要的，这样可以取长补短。在此基础上，借助于分子模拟可以从经验平均公式演化为理论公式或改进已有的理论模型来形成新的热力学理论模型和传递性质模型。

当今化学工业面临的巨大挑战是如何推出性能优越、功能齐备的新产品新材料，推动社会的进步，为此必须寻求一种指导开发新产品、新材料的科学理论。毫无疑问，分子模拟便是一种极为方便快捷的方式。本文主要对分子模拟做了相关阐述解释，表明分子模拟是实现物质结构—性质关系研究的强大工具。分子计算科学是和化学工程密切相关的物质科学的前沿之一，相信它会为化学工程这样一门相对古老的学科注入新的活力。

参考文献：

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[2]李以圭，刘金晨.分子模拟与化学工程[J].现代化工，2001，21（7）.

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