Computational Modeling of Membrane Bilayers pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Feller, Scott E. (EDT)

出品人:

页数:448

译者:

出版时间:

价格:180

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isbn号码:9780123738936

丛书系列:

图书标签:

• Membrane Bilayers
• Computational Modeling
• Molecular Dynamics
• Lipid Dynamics
• Biophysics
• Biomembranes
• Simulation
• Computational Biology
• Soft Matter
• Membrane Physics

深入探索生物物理学与材料科学的前沿交汇点：无膜层计算模拟的广阔天地 本书聚焦于现代计算科学在解析复杂生物系统和先进材料性能方面的前沿应用，特别侧重于那些不直接涉及脂质双分子层（Membrane Bilayers）构象、动力学或流变学特性的计算模型和模拟技术。我们旨在为研究人员、高级本科生和研究生提供一个全面的框架，用以理解如何利用高性能计算（HPC）和精细的理论框架来解决当前物理学、化学、生物工程以及材料科学中的关键挑战。 本书的内容覆盖了计算建模的广阔领域，从基础的量子化学方法到宏观尺度的连续介质模型，致力于揭示那些驱动复杂系统行为的微观机制和宏观规律。我们将详细阐述一系列核心主题，这些主题构成了现代计算科学工具箱的基石，但其应用范围远超细胞膜这一特定系统。 --- 第一部分：基础计算方法与高精度量化 本部分将奠定理解复杂系统模拟所需的理论基础，重点放在用于描述电子结构和分子间相互作用的计算方法。 第一章：从头算（Ab Initio）方法与密度泛函理论（DFT）的进阶应用 我们将深入探讨计算化学的核心——如何精确求解薛定谔方程。重点将放在： 能量最小化与结构弛豫： 不仅仅是孤立分子，更关注晶体结构、表面吸附位点、以及金属催化剂活性中心的计算优化。例如，如何精确预测半导体材料的晶格常数、缺陷形成能以及电子能带结构。 泛函选择与精度校准： 对比不同密度泛函（如GGA, meta-GGA, 杂化泛函）在描述范德华（vdW）力、激子效应以及激发态过程中的优劣。我们将通过实例说明，如何选择合适的泛函来准确预测过渡金属氧化物的磁性或有机半导体的能隙。 非绝热过程的模拟： 关注电子与核运动的耦合，例如在光催化剂降解污染物或太阳能电池材料中，如何利用时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）模拟光激发态的弛豫路径和电荷转移动力学，避免了传统热力学近似的局限。 第二章：分子力场（Force Fields）的构建与验证 分子动力学模拟的效率高度依赖于力场的质量。本章将专注于构建和参数化用于模拟非生物大分子或复杂流体的力场： 全原子（All-Atom）与粗粒化（Coarse-Grained, CG）力场的系统构建： 详细介绍如何从量子化学数据中提取力场参数（如键合项、扭转项、非键合参数），并将其应用于模拟聚合物、高分子电解质或离子液体。 特殊相互作用的处理： 重点讨论如何精确建模极化效应（如Drude振子模型）在模拟水合离子、电化学界面或高介电常数溶剂中的作用，这些在电池电解质和电催化中至关重要。 力场适用性评估： 不仅是计算热力学性质（如密度、扩散系数），更重要的是通过对比实验数据（如X射线衍射或中子散射结构因子），来验证力场在再现系统宏观结构方面的可靠性。 --- 第二部分：介观尺度的动力学与相变模拟 本部分将视角提升至微米乃至毫米尺度，探讨如何利用介观模型来捕捉大量粒子相互作用所产生的复杂集体行为和相变现象。 第三章：介观动力学模拟：格子玻尔兹曼方法（LBM） Lattice Boltzmann Method (LBM) 作为一种新兴的流体力学模拟工具，在处理复杂几何边界和多相流问题上展现出巨大潜力。 LBM的基本原理与格子选择： 详细介绍离散速度模型（如D2Q9, D3Q19）如何重现纳维-斯托克斯方程。 多相流与界面捕捉： 重点阐述如何利用LBM（如自由能密度方法或伪势方法）来模拟气液、液液或固液界面动力学，例如雾化过程、油水分离或多孔介质中的渗流。 与宏观模型的耦合： 探讨如何将LBM模拟的局部速度场和界面信息传递给更宏观的有限元（FEM）或有限差分（FDM）模型，实现多尺度模拟。 第四章：相场（Phase-Field）方法与材料微观结构演化 相场法是描述材料内部界面演化和相变过程的有力工具，广泛应用于合金凝固、析出现象和微观织构的形成。 自由能泛函的构建： 阐述如何根据热力学原理构建描述系统非均匀性的自由能泛函，包括梯度耦合项对界面宽度的影响。 动力学方程的求解： 详细讨论Cahn-Hilliard方程和Allen-Cahn方程在不同物理背景下的应用，例如模拟合金中有序相的形核与长大、或者铁电材料的畴壁运动。 应用实例： 重点分析在锂离子电池的电极材料中，如何利用相场模型模拟固态电解质界面（SEI）的生长动力学，或模拟电化学反应驱动下的析锂枝晶生长问题。 --- 第三部分：特定领域的计算建模案例研究 本部分将所学的计算工具应用于当前材料科学和化学工程中的热点问题，这些问题的核心机制往往独立于生物膜系统。 第五章：固态电化学系统的建模：电池与电催化 关注如何利用计算模拟来指导新型能源材料的设计，特别是涉及到电荷传输和界面反应的系统。 离子扩散与晶格缺陷工程： 利用超电池模型（Supercell Method）结合DFT计算材料中的点缺陷（空位、间隙离子）的形成能和迁移势垒，以期提高固态电解质的离子电导率。 电极/电解质界面的电荷转移速率： 采用包含明确溶剂化结构（或电解质结构）的分子动力学模拟，结合量子化学计算，分析界面处的反应能垒（如Li-ion脱嵌或析氢反应），从而指导催化剂的表面改性。 界面阻抗谱（EIS）的模拟解释： 尝试将分子动力学计算得到的介电弛豫时间与实验测得的阻抗数据关联起来，解析界面处的电荷转移电阻和双电层效应。 第六章：聚合物与软物质的结构-性能关系 本章探讨计算方法如何揭示高分子材料在外部刺激下的响应机制。 高分子链构象与弛豫时间： 利用长时间尺度的分子动力学模拟研究聚合物熔体或溶液中的链缠结（Entanglements）和玻璃化转变温度（Tg）的计算预测。 响应性材料的设计： 模拟智能聚合物（如PNIPAM类水凝胶）在温度或pH变化下体积变化的驱动机制，重点在于聚合物链与溶剂（水或有机溶剂）之间的精确相互作用建模。 纳米复合材料的界面粘结： 使用QM/MM（量子力学/分子力学）耦合方法，精确描述高分子基体与无机填料（如碳纳米管、石墨烯片层）之间的化学键合或强物理吸附，预测复合材料的机械性能增强机制。 --- 总结：跨越尺度的集成化计算策略 全书的最终目标是培养读者构建“多尺度计算流程”的能力。我们强调，一个完整的工程或科学问题往往需要结合从原子精度（DFT）到宏观连续体模型（FEM/LBM）的多种方法。通过对上述不涉及生物膜的详细计算工具和应用的探讨，本书旨在为读者提供一个强大的、通用的计算科学思维工具箱，以应对未来在材料科学、化学工程、物理学等领域遇到的各种复杂计算挑战。

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