水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验-产品中心-高校虚拟教学仿真软件

“水溶液的介观结构与形成机理虚拟仿真实验”于2019年获批国家级一流本科课程。

实验目的

本实验聚焦典型的纳米簇体系，通过精确模型构建与参数化设计，利用分子动力学模拟，依托虚拟仿真技术，将宏观实验现象从分子层面可视化直观呈现，让学生在做实验的同时“看到”纳米簇在时空演化的动态过程，力图使学生在原子、分子层面上更深刻地理解物质性质与行为的本质，并领略其中的奥妙，培养学生从现象到本质的微观思维能力。学习在微观的层次上考虑和分析化学问题，并且能够应用于其科研工作中解决实际问题。本实验力图从实用的角度教会学生分子模拟的基本方法和基本操作。

具体实验目的包括:

1.从分子水平理解纳米簇及溶液分层的形成机理。

2.理解溶液的静态结构与动态结构。

3.分子动力学模拟方法初步体验及对数据进行统计分析。

4.培养学生从现象到本质的微观思维能力。

实验原理

本实验首先采用分子动力学模拟的方法研究溶液的介观结构及其形成机理。许多与分子原子有关的微观细节，在实际实验中无法获得，而在分子动力学模拟中都可以方便地观察到。本实验中，我们用径向分布函数、氢键和三维空间密度分布图来描述溶液的结构性质。再结合虚拟仿真技术，拓展模拟实验的时间尺度与空间尺度，呈现出由分子层面的运动到宏观现象连续统一的动态图像，观察水溶液介观结构由分子簇到液液分层连续演化的可视化过程。在本实验中，分子模拟部分是实体实验，时空的拓展部分为虚拟实验部分，虚实结合的原理如图1所示:

本实验核心要素的仿真度可高达90%以上，体现如下:

1.时间尺度:在当前小型工作站的计算效率下，获得分子水平的溶液动态结构需要数天时间，课堂教学严重受限。而借助仿真技术，相应结果的呈现时间可以缩短为几小时。观察溶液介观结构随时间的演化从纳秒量级延长到毫秒量级，呈现出分子层面的运动到宏观现象连续统一的动态图像，使学生在课堂教学时间内能观察到溶液介观结构完整演化的可视化过程，极大地提升教学效果。

2.空间尺度:分子模拟结果得到纳米簇的可视化结果，借助仿真技术，将溶液介观结构随空间的演化从纳米簇扩展到微米团簇，再扩展到毫米块状结构，直至块块相连，形成分米级可观测到的液液分层结构，呈现出由微观的分子簇到宏观液液分层连续演化的动态图像，为学生从分子层面分析并理解溶液介观结构的形成机理提供了直观的途径，有效地突破教学重难点。

实验方法

分子模拟手段结合虚拟仿真技术，提供了虚实结合的直观教学模式。分子模拟技术包括模型构建、动力学过程、数据分析。模型构建模块涉及力场文件的建立、模拟盒子及研究对象的添加。动力学轨迹模块涉及超级计算机的操作、脚本的编写、体系的优化，及动力学轨迹的启动、跟踪和转译。数据分析模块涉及数据的提取、筛选，分析处理，可视化及动图展示。

方法原理如下图所示。