materials studio 软件中高分子材料模拟的力场选择

materials studio软件中高分子材料模拟的力场选择materials studio软件中与高分子模拟有关的力场主要有COMPASS力场、PCFF 力场、CVFF力场及通用力场等，分述如下。1 COMPASS 力场COMPASS力场是第一个把以往分别处理的有机分子体系的力场与无机分子 体系的力场统一的分子力场。COMPASS力场能够模拟小分子与高分子，一些金属 离子、金属氧化物与金属。在处理有机与无机体系时，采用分类别处理的方式， 不同的体系采用不同的模型，即使对于两类体系的混合，仍然能够采用合理的模 型描述。COMPASS力场覆盖的化学结构见表1。表1 COMPASS力场覆盖的化学结构有机分子，高分子，气态分子烷烃CHn 2n+2烯烃CHn 2n炔烃CHn n苯/芳香烃CH, CH, C H6 66 51210环烷烃CHn 2n醚ROR乙缩醛-C(OR)2醇ROH苯酚ArOH胺NR2氨NH3醛/酮CO羧酸COOH酯COO碳酸盐-OCOO-酰胺-CONH-氨基甲酸酯/氨基甲酸乙酯-OCONH-硅氧烷-S -O-S ii硅烷-S -si i小分子O,N, H,HO,CO, CO, CS,SO, SO,NO, NO,222222232NH, He, Ne, Ar, Kr, Xe3卤烃R-X (X=F, Cl)膦腈-N=PX - (X=F, Cl, NR, OR, R)2硝基-NO2腈R-CN异氰化物RNCO硫化物RSR硫醇RSH氨基氧化物NRO3芳香族卤化物Ar-Cl, Ar-F氨腈-N=C=O硝酸盐R-O-NO2无机分子金属Al, Na, Pt, Pd, Au, Ag, Sn, K, Li, Mo, Fe, W, Ni,Cr, Cu, Pb, Mg金属卤化物Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg+, Ca+, Fe+, Cu+, Zn+, F-, Cl-,Br-, I-氧化硅/硅酸铝SiO, AlO2 2金属氧化物Li O, Na O, K O, MgO, CaO, SrO, BaO, TiO, Fe O, Al 0,22222323SnO, SiO2 22 CFF力场Hagler等人开发的CFF力场包括CFF91、CFF93、PCFF、CFF95等，是第二 代半经验力场算法，远比上述经典力场复杂，需要大量的力参数。其能量计算包 含了交叉耦合作用校正。这类计算方法中的参数主要由以下物质实验或计算数据 得到：含H,C,N,O,S以及P的化合物，主要是由这些元素相互之间形成的物质； 卤素原子以及离子；碱金属阳离子以及某些在生物化学领域内重要的金属二价阳 离子。PCFF基于CFF91构建，主要增加了聚合物，金属以及分子筛体系方面的计 算参数，是适用于高分子的力场，它可用来预测有机高分子、沸石分子体系。3 CVFF力场CVFF力场全名为一致性价力场(consistant valence force field),最初以 生化分子为主，适应于计算氨基酸、水及含各种官能团的分子体系。其后，经过 不断的强化，CVFF力场可适用于计算多肽、蛋白质与大量的有机分子。此力场 以计算系统的结构与结合能最为准确，亦可提供合理的构型能与振动频率。 4通用力场前述的力场由于最初的设计都是针对有机分子或生化分子，故仅能涵盖周期 表中的部分元素，其力场参数多由拟合计算与实验值或量子计算值而来。为使力 场能广泛地适应于整个周期表所涵盖的元素，发展了通用力场。在高分子模拟领 域应用最多最广泛的力场是近年发展起来的通用力场，包括Dreiding力场、 UFF力场、ESFF力场等，这些力场的使用范围几乎覆盖了元素周期表中的所有 兀素。(1) Dreiding 力场Dreiding力场是Mayo、Olafson等人于1990年开发的一种较好的、具有 各种用途的力场，它的最大优点在于有很强的预测能力，相对于那些为十分有 限的体系提供较高精确度的特殊力场，Dreiding力场允许合理地预测大量的体 系，包括那些含有新元素化合类型的体系，以及没有或很少实验数据的体系， 也能较好地进行能量、结构的预测和动力学计算。Dreiding力场在预测依赖分 子内相互作用的聚集态材料的性质比UFF力场更好，但它未对整个周期表进行 参数化，因而不及UFF力场应用广泛oDreiding力场没有像UFF力场和ESFF力 场那样的“参数产生器”，但它的参数也是由一种基于规则的方法而产生。 Dreiding2. 21是目前最新的版本，也是高分子材料模拟中最常用的力场。(2) UFF力场UFF (UNIVERSAL Force Field)力场是由Rappe及其研究小组在1992年开 发的优秀通用力场它对整个元素周期表进行了参数化，所有力场参数是由一系 列基于元素、杂化及化合连接的规则产生的，它是适用范围最广泛的计算方法， 对元素周期表内的所有元素适用，因此一般结构都可以采用这个算法。UFF力场 被证明对许多体系有效，因而被推荐用来预测那些未被特殊力场覆盖的体系。通 常UFF力场对分子结构预测比Dreiding力场好，但对依赖于分子内相互作用的 性质预测则差一些。UFF力场另一特点是有一个“参数产生器”，它能结合原子 的参数产生力场参数，因此力场所需的任何原子化合类型参数都能被产生出来。 UFF力场已发展到与电荷平衡法相结合，用UFF力场进行的计算极力主张使用电 荷平衡计算，并为许多体系所证实。(3) ESFF 力场ESFF力场是1998年由M S I公司开发的力场，它对元素周期表中氡(Rn)以前 的元素进行了参数化，它的参数导出结合了密度泛函理论，能用于预测有机、无 机和有机金属体系在气态及凝固态的结构，但对振动常数和构象能则不能精确 预测。