分子結構優化的案例
基于CP2K的沸石吸附小分子的結構優化
部分輸入文件如圖3和圖4所示：
圖3 輸入文件中理論方法設置
圖4 輸入文件中色散校正設置
該體系優化40幾步就收斂了，優化后的結構如圖5所示?？梢钥吹剑?em>優化后的結構和初始變化不太大，甲苯分子只發生了微小的移動，說明我們初始構建的結構還是比較合理的。
圖4 優化前后沸石-甲苯結構模型
結語
本案例通CP2K成功實現了沸石吸附甲苯小分子的結構優化。對于相關領域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。
最后，如果您對于該案例感興趣，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡，獲取完整的案例支持與個性化定制解決方案！
展開 Gaussian16的安裝與使用
在化學和分子模擬的世界里Gaussian16是一款廣泛使用的量子化學軟件，它為研究人員提供了強大的工具來進行分子結構優化和其他復雜計算。無論您是研究新分子的性質，還是優化現有分子的結構，Gaussian16都能夠為您的工作提供精確的計算結果和深刻的洞見。
本教程將引導您完成Gaussian16的安裝過程，并介紹如何使用該軟件優化分子結構。首先，我們將詳細說明如何在您的計算機上安裝Gaussian16，包括所需的系統配置和安裝步驟。接著，我們將展示如何使用Gaussian16進行分子結構優化，通過調整分子的幾何構型以找到其能量最低的穩定狀態。
Gaussian16以其高效的算法和精確的計算能力，幫助您在分子模擬和理論化學研究中取得突破。跟隨我們的教程，您將能夠順利安裝Gaussian16，并熟練掌握其結構優化功能，為您的科研工作奠定堅實的基礎。
Gaussian16的安裝
先檢查shell的版本：
echo $SHELL
如果顯示：
/bin/bash
則說明使用的是bash。下載對應版本的Gaussian壓縮包。
使用tar -jxvf G16-A03-AVX2.tbz命令解壓Gaussian16的壓縮包，在本教程中解壓路徑為/root/autodl-tmp/student1，涉及路徑的命令請根據實際情況修改。
展開 基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內低溫吸附結構對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
本案例建立一二維軸對稱腔道結構，如圖1所示。結構內存在阻擋壁面結構、吸附面結構、包含一入口。吸附壁面溫度為4.5K，吸附系數為0.7，其他壁面結構的壁面溫度為80K。在入口受到3mPa的抽吸壓力下，計算得到腔體內的數密度分布云圖，如圖2所示。腔體內顆粒粒子追蹤He氣體分子的運動，如圖3所示。由圖可知，最終在吸附壁面上吸附了一定數量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數密度分布
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
展開 前瞻技術｜從物理性質逆推分子結構
眾所周知，采用機器學習方法，基于定量結構-性質關系(QSPR)，可以從分子和晶體結構預測物理性質。現在，「J-OCTA軟件」1可以進行逆分析，利用京都大學長町實驗室開發的mol-infer數據接口，可以實現從物理性質逆推分子結構。這是一種非常新穎的分子結構生成方法，具有廣闊的應用前景。
第一，利用人工神經網絡(Artificial Neural Network, ANN)從分子結構預測物理性質。第二，通過混合整數線性規劃(Mixed Integer Linear Programming, MILP)求解人工神經網絡的逆運算，能夠在相反的方向上執行快速而準確的運算，這是單獨使用人工神經網絡所不可能實現的。
首先，基于1297組數據集訓練分子結構和物理性質之間的關系。圖1展示的是測試過程中使用的分配系數。
圖1. mol-infer的訓練數據集和目標性質（分配系數=10.0）
其次，使用MILP執行逆運算。設目標分配系數為10.0，生成種子分子的圖結構和對應官能團的樹結構（見圖2），用來預測分子結構。
通過「J-OCTA軟件」1預測的分子結構如圖3所示，得到了4種同分異構體。對于預測的分子結構，再次采用正向方法計算其物理性質，結果表明其分配系數為9.8，證明預測的分子結構基本滿足目標物性。
【1】J-OCTA分子動力學軟件 —— 通過對材料從原子級別到微米級別的模擬計算，從本質上理解元素組成和性能之間的關系。軟件可以滿足幾乎所有材料的分析，比如橡膠、塑料、薄膜、涂料及電解質材料等。可將其作為“ 知識發現工具 ”進行靈活運用。
展開 
高分子凝聚態（玻璃態）結構特征
高聚物的每個分子就好像是一根長長的線，通常情況下它們可互相雜亂無章地繞在起，被稱為“無規線團”，這樣形成的高聚物內部不存在規整的結構，是類非晶態的高聚物。許多高聚物都有這樣的結構，如聚氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等，以及幾乎所有的橡膠。
但是也有少數聚合物，當它們在塑料加工機器中被加熱熔解，然后從熔體中冷卻成型時，支鏈的分子會按照一定順序規整的排列起來，形成有序的結晶結構。
由于高分子的相對分子量很大，分子運動受到牽制，因此在通常情況下，它們不能像小分子化合物那樣形成完美的單晶結構，也不能形成100% 的結晶；所謂的結晶聚合物實際上只是一部分結晶的高分子，在這類聚合物中包含許多非晶區，我們常用結晶部分的質量分數或體積分數來表示高分子的結晶度。
還有與小分子不同的是，高聚物結晶的熔融通常發生在幾度甚至十幾度的寬范圍內，這個溫度范圍稱為“熔限”。這是因為高聚物結晶的形態和完善程度很不相同，升溫時尺寸較小、不太完善的晶體首先熔融，尺寸較大、比較完善的晶體則在較高的溫度下才能熔融。
結晶影響了聚合物的性能，主要是力學性能和光學性能。結晶度越大，塑料越脆。結晶度越大，高聚物越不透明，因為光線在晶區和非晶區界面發生光散射。
線形高分子長鏈具有顯著的幾何不對稱性，其長度一般為其寬度的幾百倍至幾萬倍。在外場作用下分子鏈將沿著外場方向排列，這過程稱為取向。高聚物的取向現象，包括分子鏈、鏈段、晶片和微纖等沿外場方向的擇優排列。
取向結構與結晶結構不同，它是一維或二維有序結構。因而能夠很好取向的聚合物不一定能結晶。很多聚合物產品如合成纖維、薄膜等都是在一定條件下經過不同形式的拉伸工藝制成的。研究取向有著重要的實際應用意義。
展開 渦輪分子泵葉片的結構設計與分析
渦輪分子泵是一種精密高速旋轉機械，在設計過程中對主軸、轉子等關鍵件的設計作科學準確的計算、校核尤為重要。文章闡述了借助PRO/E、PRO/MECHANICA?軟件（試用版）對渦輪分子泵的渦輪葉片進行結構設計、有限元分析（應力分析及位移分析），大大提高了設計的準確率、增強了設計的可靠性及縮短了產品的研發周期。把CAD、CAE有效地應用于實際的產品結構設計中，將會對產品的研發起很大的作用。
<p?style="text-indent:2em;">
渦輪分子泵是一種精密高速旋轉機械系統，主要用來獲得高真空和超高真空。目前國內外飛速發展的半導體電子產業、半導體照明產業、平板顯示產業、太陽能電池產業、光學元器件產業、薄膜產業推動了分子泵的快速發展；與此同時，介于時代及行業的迫切要求，在分子泵的設計過程中，一種“短周期性、高可靠性”的設計理念應運而生，然而分子泵的設計本身就是一個相對比較復雜的過程，要實現“短周期性、高可靠性”的設計理念，單憑傳統的設計方法遠遠做不到，必須借助當今的主流CAD、CAE?軟件協作方可實現。
<p?style="text-indent:2em;">
PRO/MECHANICA是PTC公司開發的有限元分析軟件，該軟件與該公司的PRO/E完全無縫集成，即通過PRO/E構建的3D幾何模型，可以直接引入PRO/MECHANICA?里做結構或熱力學分析，而當3D幾何結構有變更時，PRO/MECHANICA里所建立的結構或熱力學分析經過簡單的“分析更新”即可方便讓分析結果隨著更新，完全做到無數據損失，這樣，PRO/MECHANICA就能讓結構設計師們將精力集中在設計工作上，在設計初期就能因為結合了分析，實時優化結構，而縮短整個設計周期，從而降低設計成本，這也是其他主流CAE?軟件無法比擬的優點。
<p?
展開 結構生物信息學分子對接大師班--帶案例 ￥10
1-1 概述
2-1-蛋白質結構和功能組成
2-2-蛋白質結構和功能肽鍵和相互作用
2-3-蛋白質結構和功能α螺旋和β片
2-4-蛋白質結構和功能肽鍵和Ramachandran圖
2-5-蛋白質結構和功能結合能
2-6-蛋白質結構和功能蛋白質如何折疊
2-7-蛋白質結構和功能結構水平
2-8-蛋白質結構和功能功能水平
2-9-蛋白質結構和功能酶動力學基本概念
3-1-可用的蛋白質制備結構
3-2-制備的蛋白質制備結構
3-3-蛋白質制備同源性建模
3-4-蛋白制備穿線法
3-5-蛋白質制備α折疊
3-6-PDB結構的6-蛋白制備選擇
3-7-蛋白質制劑缺失殘留問題
3-8-蛋白質制備結構驗證
4-1-分子對接算法
4-2-分子對接類型
4-3-分子對接模式
4-4-分子對接軟件
4-5-分子對接自動對接VINA高分子制劑
4-6-分子對接自動對接VINA配體制備
4-7-分子對接自動對接VINA網格制備
5-1-自動對接VINA腳本
5-2-自動對接VINA分析-I
5-3-Autodock VINA分析- II
6-1-虛擬篩選為什么它很重要
6-2-虛擬篩選簡要信息
6-3-虛擬篩選大分子和配體的制備
6-4-虛擬篩選網格準備
6-5-虛擬篩選ADMET分析
6-6-虛擬篩查Lipinksi五規則
6-7-虛擬篩查結果分析
6-8-虛擬篩選腳本
7-1-故障診斷問題
7-2-出版質量圖制備
展開 塑膠材料篇：高分子的結構，影響著材料的諸多性能
高分子鏈的結構，其實影響著高分子塑膠材料很多性能，如強度、剛度、沖擊強度等物理性能，有些材料分子結構式非常相似，但性能卻各異，比如這三種材料：PE、PS、PVC。
本文為啥把它們三放在一起舉例介紹呢，主要是他們名字太相似了，咋一看，一字之差，實際上它們的性能差別很大，它們都為五大通用塑膠之一，產量大，價格便宜，廣泛應用于日常產品上。
PE，學名稱為“聚乙烯”，是指由乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PS，學名稱為“聚苯乙烯”，是指由苯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PVC，學名稱為“聚氯乙烯”，是指由氯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PE、PS和PVC的單體化學結構式如下，可以看出，結構式的主要區別是，PS中苯環取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子，而PVC中氯原子取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子。
所以也統稱聚乙烯類塑膠，其中把苯環、CI等稱為取代基（R），它們的聚合反應如下：
由于分子結構的不同，所表現出來的性能也會不同，從上面的結構式可以看出，PE的分子結構具有對稱性，而PS和PVC分子結構不對稱。
那么對稱或不對稱的分子鏈結構對聚合物的性能有什么影響呢？
一、首先，需要理解高分子鏈內旋轉
我們知道，原子之間通過共價鍵形成分子，而共價鍵又分為σ鍵和π鍵，至于什么叫σ鍵和π鍵，大家可以查找資料了解，這里就不展開講了，這里我們只需要了解它們的區別就行。
而C-C單鍵屬于σ鍵，其電子云分布具有軸對稱性，即這兩個C原子不管怎么繞軸旋轉，都不影響其電子云的分布，所以，高分子在運動時，鏈中C-C單鍵可以繞軸旋轉，稱為高分子鏈內旋轉。
展開 結構優化案例1—L型結構優化設計（減重）
4.3.1 應力水平
圖 14優化前后應力水平比較
觀察整體結構各部位的應力水平，可以看到幾個問題：
原始結構主要承力部分Mise應力為230MPa，閑置部分Mise應力為50MPa；優化后結構主要承力部分Mise應力415Mpa，閑置部分170MPa。這個體現了輕量化設計的一個核心：將分擔給閑置（應力水平較?。┎糠值某休d施加到主傳力路徑，相當于“能者多勞”。但是在這種模式下，結構應力達到415MPa（假設400MPa為屈服極限），這時候我們該怎么辦？
拓撲作為一個優化問題，我們想要找到最優解，但是軟件給的結果真的是最優的嗎，還是只是較優？（考慮下優化后仍有一定的“閑置”部分）
很多做分析的伙伴看到那個拐角肯定會很不舒服，那的確是個不合理的結構。但是對于該問題，如何找到拐角處的合理結構？在該例中再加上應力約束是否是一種較好的方法？（分析一個復雜問題的時候我們往往會留主和分解，考慮下優化）
4.3.2 剛度情況
圖 15優化前后剛度比較
剛度情況我們可以通過結構的最大位移簡單比較，可以看到原始結構最大位移0.0924mm，優化后結構0.158mm。于是就有人問了，我優化這個結構的剛度，為什么整體剛度反而降低了？這是一個簡單但是很重要的問題，體現了我們何時知道需要優化以及怎么去優化。
展開 Ansys Workbench中拓撲優化后結構力學特性之可視化 | 結構優化新功能
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 CADD蛋白結構分析、虛擬篩選、分子對接（蛋白-蛋白、蛋白-多肽）
分子對接軟件（Autodock) 使用
2.1半柔性對接
2.1.1 小分子配體優化準備 2.1.2 蛋白受體優化及坐標文件準備
2.1.3 蛋白受體格點計算
2.1.4 半柔性對接計算
2.2對接結果評價
2.2.1 晶體結構構象進行對比
2.2.2 能量角度評價對接結果 2.2.3 聚類分析評價對接結果 2.2.4 最優結合構象的選擇 2.2.5 已知活性化合物對接結果比較 實例講解與練習：激酶Bcr/Abl靶點抑制劑的半柔性對接
第三天下午
生物分子相互作用II
2.3柔性對接
2.3.1 小分子配體優化準備
2.3.2 蛋白受體優化及坐標文件準備
2.3.3 蛋白受體格點計算
2.3.4 柔性對接計算及結果評價
2.3.6 半柔性對接與柔性對接比較與選擇實例講解與練習：Bcr/Abl靶點抑制劑的柔性對接
虛擬篩選
3.
展開 
結構優化新功能 | 拓撲優化后結構力學特性之可視化
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 木素分子結構對木素基碳纖維前驅體可紡性的研究
其原因可能是因為木素與PEO共混后制備紡絲液時PL與PEO的混合性更好，使得PL分子鏈與PEO分子鏈之間交織更加厲害，更有利于架橋作用的發生，從而可紡性好；由GPC可知PL分子量大于RL與CL，而木素基碳纖維是高分子聚合物，只有木素分子量大，才有足夠的碳原子形成碳骨架結構，且PL分布系數小，表明 L中小分子量木素含量少，故PL的紡絲性能要優于RL、CL；同時由C—NMR可知，P L中側鏈結構比較少，而木素形成碳纖維時，首先發生脫除支鏈結構，并重塑碳鏈，故PL更容易形成碳骨架結構。
3 結論
以不同木素為原料和PEO共混后，采用靜電紡絲方法能夠成功制備出碳纖維前驅體，且來自于木材原料的木素可紡性要優于草類原料木素。隨著P E O的使用量的加大，碳纖維前驅體串珠不斷減少，表面光滑度提高，當木素／PEO達到96：4之后，促進作用不再明顯增強。由GPC、IR、結合SEM分析可知，木素分子量大，制備碳纖維時能提供更多的碳原子形成骨架結構，木素結構中愈創木基與乙酰基含量多，有利于木素分子與PEO分子的混合，故均對木素基碳纖維前驅體可紡性有提高，由 C-NMR可知，木素結構中支鏈的含量多會有利于碳纖維前驅體的形成。
（來源：《中華紙業》雜志）
展開 基于水性油墨《Small》3D打印分層結構的超分子聚合物液晶水凝膠
當這樣的系統包含超分子聚合物時，原則上可以容易地剪切排列的納米級結構并產生本體各向異性性質。然而，使用常規制造技術，在3D水凝膠中可再現地制造和構圖對準的超分子域仍然是挑戰。
【科研摘要】
最近，
美國西北大學Samuel I. Stupp教授團隊報道了一種用于從水性超分子聚合物油墨中進行離子交聯的液晶水凝膠3D打印的方法。相關論文3D Printing of Supramolecular Polymer Hydrogels with Hierarchical Structure發表在Wiley雜志《Small》期刊上。結合實驗技術和分子動力學模擬，發現pH和鹽濃度控制著自組裝結構之間的分子間相互作用，其中超分子聚合物上的較低電荷密度和從電解質中的較高電荷篩選導致了較高粘度的油墨。當使用較小的噴嘴直徑和快速的打印速度時，高粘度油墨中組件之間增強的層次結構相互作用提高了可打印性，并最終導致了擠出的宏觀絲中更大的納米級排列。事實證明，這種方法的使用可產生具有各向異性離子和電子電荷傳輸的材料，以及由于超分子自組裝和增材制造的協同作用而觸發細胞宏觀排列的支架。
【圖文解析】
2.1超分子聚合物水凝膠的DIW
合成了具有PA折疊結構域的已知PA分子的陰離子和陽離子版本，該結構域促進了超分子聚合物向納米纖維的延伸以及谷氨酸或賴氨酸殘基的定義，從而定義了電荷并增加了水溶性（圖1a）。當存在陽離子（例如Ca
2+）或聚電解質時，陰離子PA（E3）形成離子交聯的水凝膠，而陽離子PA（K3）與陰離子物質（例如SO
4
2-）發生離子交聯。油墨是由0.5-2 wt％的PA水溶液制備的，將其進行熱退火并緩慢冷卻以驅動高長徑比納米纖維的超分子自組裝。
展開 分子動力學模擬微觀結構對金屬納米玻璃塑性變形行為的影響
金屬納米玻璃性質與玻璃-玻璃界面密切相關，但是結構無序和界面寬度窄，加劇了研究難度。模擬金屬納米玻璃的變形機理發現，晶粒尺寸影響塑性響應，結構從非定域變形到剪切帶的過渡。玻璃-玻璃界面的缺陷短程有序充當了剪切轉變區的成核位點。在納米玻璃制備方面，即顆粒的惰性氣體冷凝和冷壓實，預測玻璃-玻璃界面中的缺陷短程有序也受到了變形過程的影響。本文通過分子動力學研究發現，玻璃狀顆粒固結后，納米玻璃界面是接觸區域中拓撲不匹配和剪切過程，這種粒子衍生模型明顯不同于現有的體相衍生微觀結構模型。本文也分析了金屬納米玻璃的整體變形行為與微觀結構和界面特性的相關性。
【成果簡介】
近日，德國達姆施塔特工業大學的Omar Adjaoud（通訊）作者等人，采用分子動力學模擬方法，研究了微觀結構對Cu64Zr36納米玻璃塑性變形行為的影響。分析了兩種制備納米玻璃的方法：一種是化學均勻和不均勻的納米顆粒冷壓獲得的納米玻璃；另一種是體相衍生的多面體組裝而成的納米玻璃。對兩種類型的微結構研究發現，顆粒衍生的納米玻璃的界面體積分數明顯高于體相衍生的納米玻璃的界面體積分數。兩種玻璃的單軸載荷具有不同的塑性響應：顆粒衍生的樣品在屈服時，沒有應力下降，應變局部化非常小和沒有應變軟化；大塊衍生的樣品出現應力下降，應變軟化和大的局部應變。這與兩種玻璃的玻璃-玻璃界面結構的不同類型有關。因此，金屬納米玻璃的宏觀變形行為與玻璃-玻璃界面結構和拓撲結構密切相關，而玻璃-玻璃界面的結構和拓撲結構又與加工工藝有關。
展開 