概述
聚合物材料建模與聚合物工程的熱-力學(xué)和其他性質(zhì)的模擬，與無機材料、有機小分子材料有很大的不同，一方面，聚合物分子巨大的分子量和鏈內(nèi)巨大的自由度給原子級的建模和計算帶來很大的困難；另一方面，聚合物體系有許多獨特的熱-力學(xué)特性，例如玻璃化轉(zhuǎn)變、粘彈性和動態(tài)模量等等；聚合物鏈段與其他鏈段、小分子、表面、納米粒子的相互作用也與其他有機物體系區(qū)別很大。 QuantumATK 提供了友好的工具支持構(gòu)建各種聚合物模型，例如熱塑性聚合物，線性的均聚物、共聚物，聚合物熔體、嵌入小分子的聚合物、與納米粒子、表面結(jié)合模型，等等。構(gòu)建的聚合物模型可以直接使用軟件提供的多種方法（基于Dreiding、OPLS-AA力場）進一步的平衡化，包括使用 force-capped-equilibration 作為初始平衡化方法、single-chain mean field（SCMF）方法、21步聚合物平衡化自動化流程工具，等等。平衡化后的聚合物可以用多種工具進行性質(zhì)模擬，例如 NVE、NVT、NPT 系綜的分子動力學(xué)（MD），用來模擬長時域動力學(xué)的 time-stamped force-bias Monte Carlo 方法，以及用于模擬熱傳導(dǎo)的非平衡態(tài)動量交換方法。 常用工具 自動化無定形聚合物模型建模工具 支持圖形用戶界面（GUI）和 Python 腳本的自動化工具 豐富的模擬方法 自動力場生成，支持 DREIDING OPLS-AA 電荷平衡化可以使用 Qeq 和 ReaxFF 電荷平衡化方法 參考鏈接： 聚合物建模教程 聚合物模擬相關(guān)的工具 聚合物建模工具：鏈結(jié)構(gòu)定義。 聚合物建模工具：與其他分子、塊體結(jié)構(gòu)結(jié)合。 聚合物建模工具：部分單體結(jié)構(gòu)庫。此外用戶可以自己定義單體結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用 熱-力學(xué)性能 玻璃化轉(zhuǎn)變，彈性，動態(tài)模量，粘度 熱傳導(dǎo) 聚合物相容性 研究聚合物在高形變、高剪切速率，高加熱/冷卻速率下的性能 模擬特定化學(xué)組分的聚合物體系 聚合物鏈段之間相互作用、聚合物鏈段與其他分子的相互作用 包裹在納米粒子、表面周圍的聚合物熔體 聚合物模擬的流程 蒙特卡洛方法聚合物鏈建模工具，F(xiàn)orce-capped-equilibration，SCMF equilibration，聚合物體系熱傳導(dǎo)等都是與聚合物有關(guān)的新增方法。 可以模擬的聚合物體系 熱塑性塑料 線性均聚物和共聚物 聚合物單鏈和熔體 控制立構(gòu)規(guī)整度、單體比例和端基 與單分子、納米粒子，表面復(fù)合模型 用戶自定義單體結(jié)構(gòu) 生成的模型可以立即用于進一步的平衡化和模擬 無定形SiO2（OH端基）與PMMA接觸界面模型。 圖：PMMA/甲醇混合模型。 圖：PMMA/PVC共混模型。 聚合物平衡化自動化流程工具 按照交替使用 NVT/NPT 動力學(xué)的 21 步復(fù)雜流程 從高溫高壓逐漸降低至目標值 支持從每個 MD 模擬步驟繼續(xù)計算 自定義參數(shù)，例如最大溫度和壓力，最終溫度和壓力 MD步長推薦值為 1.56 ns，但是可以用比例因子調(diào)節(jié) 聚合物/液體體系的熱輸運 QuantumATK 可以使用非平衡態(tài)動量交換方法對聚合物體系進行非平衡態(tài)的熱傳導(dǎo)計算。這種方法的工作原理是將一個區(qū)域（冷源）的最“熱”的原子與另一區(qū)域（熱源）的最“冷”的原子進行交換，這樣在材料中產(chǎn)生一個溫度梯度和熱流，從而計算熱傳導(dǎo)。使用空間區(qū)域的方法定義“冷”“熱”區(qū)域（而不是原子標記），使得這種方法現(xiàn)在可以用于液體/流體體系。 圖：非平衡態(tài)動量交換方法的計算設(shè)置。用戶可以選擇使用原子標簽或是空間區(qū)域來定義熱源和冷源范圍。 圖：非平衡態(tài)動量交換方法的計算方法。熱傳導(dǎo)方向為c軸，熱源在c軸的原點處，冷源則是在晶格的中央。 圖：熱導(dǎo)率從溫度的梯度、計算得到的能量傳輸速率和晶胞的尺寸計算得到。計算結(jié)果0.14W/mK，實驗值0.16W/mK。 聚合物熔體的熱–力學(xué)性質(zhì) 采用應(yīng)力–應(yīng)變分子動力學(xué)（MD）方法計算聚偏氟乙烯（PVDF）熔體的楊氏模量 與實驗值吻合很好：計算值 2.5 GPa，實驗值 2.6 GPa 聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變 通過合理的控制升溫過程，可以模擬聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變過程，得到Tg。 聚合物體系的計算性能測試 QuantumATK 中力場對于單節(jié)點上的 OMP 線程和 MPI 進程并行效果類似 使用 MPI 在多節(jié)點上并行時，一直到 ~2000 原子/核心時并行效率都保持的很好，因此可以支持聚合物體系的大規(guī)模并行 參考文獻 Theor. Chem. Acc. 132, 1334 (2013) J. Ferroelectrics 150, 331 (1993) Polymer 6, 77 (1965)
