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摘要：
综述分子模拟的发展历史、分子模拟在高分子材料发展中的意义。介绍用于分子模拟计算的4种模拟方法: 量子力学从头算方法、分子力学方法、分子动力学方法和蒙特卡罗方法。简单介绍常见的分子模拟软件，重点介绍Materials Studio在研究高分子材料的共混性，相容性，力学性能方面的应用。
引言：
分子模拟是对真实分子系统的计算机模拟，许多通过实验很难得到或无法得到的数据，通过模拟却可以轻松地获得，因为计算机可以清晰地展示分子的微观结构和计算材料力学性能等。它既不是实验方法也不是理论方法，它是在实验基础上，通过基本原理，构筑起一套模型与算法，从而计算出合理的分子结构与分子行为。分子模拟法可以模拟现代物理实验方法还无法考察的物理现象和物理过程，从而发展新的理论; 研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等问题，代替以往的化学合成、结构分析、物理检测等实验，从而进行新材料的设计，缩短新材料研制的周期，降低开发成本。由于以上优点，分子模拟技术在药物分子设计、新材料设计、高分子合成等许多领域已成为一种十分重要的方法和工具，计算机模拟方法的迅速发展推动了材料科学的研究与进展。
随着计算机技术的强大，模拟计算的地位日渐凸显。
对近年来分子动力学模拟文献进行粗略统计，在SCI检索的文章中1985年仅有100多篇，2002年则有4000多篇。目前科学家和工程师们对分子模拟抱有很高的期望，在美国化学会、化工学会和化学品生产协会等发布的2020年技术展望中，分子模拟被认为是到2020年实现化学工业从产品到过程设计完全自动化的一项关键技术。分子模拟的方法主要有4种：量子力学方法、分子力学方法、分子动力学方法和分子蒙特卡洛方法。
量子力学方法
分子力学
分子动力学模拟
蒙特卡洛法
蒙特卡洛法与一般计算方法的主要区别在于它能比较简单地解决多维或因素复杂的问题，它利用统计学中的许多方法，又称统计实验方法。该方法不像常规数理统计方法那样通过真实的实验来解决问题，而是抓住问题的某些特征，利用数学方法建立概率模型，然后按照这个模型所描述的过程通过计算机进行数值模拟实验以所得的结果作为问题的近似解。因此，蒙特卡洛法是数理统计与计算机相结合的产物。由于高分子链由大量的重复单元构成，聚合反应存在着随机性。分子量的大小分布、共聚物中的序列分布、高分子的构象、降解，都存在着随机性问题，蒙特卡洛法无疑成为研究的更佳对象，几乎从其建立之日起，就在高分子领域得到了应用。
目前分子模拟软件的种类较多，各有各的优点和用途。以下简单介绍一些主流的分子模拟软件的用途。
Materials Studio
CFD-Fastran
ANSYS
Ansys CFX
IMSL
Multil Physics
ABAQUS
ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。
计算机模拟已经应用在高分子科学的各个方面，包括模拟高分子溶液、表面和薄膜、非晶态、晶态、液晶态、共混体、嵌段共聚体、界面、生物聚合物、高分子中的局部运动、液晶高分子的流变学、力学性质和电活性等。
高分子浓液的模拟
表面和薄膜的模拟
界面的模拟
高分子中的局部运动
高分子的共混的相容性，力学性能
Zhonglin Luo ，Jianwen Jiang运用分子动力学MD模拟和介观模拟DPD研究了聚氧化乙烯PEO和聚氯乙烯PVP共混物的相容性。计算得到纯PEO、PEO/PVC 70/30、PEO/PVC 50/50、PEO/ PVC 30/70、纯 PVC的玻璃化温度分别是251、268、280、313、350 ℃ 。各种不同能量的贡献中，扭转角和范德华力的贡献更大。从内聚能得到的Flory-Huggins参数和分子内的原子的径向分布函数共同证明了PEO/PVC 70/30和PEO/PVC30/70的共混性比PEO/PVC 50 /50好。从DPD模拟得到的共聚物的形态很好的证明了前面的结论，因为在PEO/PVC 50/50的模拟中出现了明显的相分离。该研究同时考察了不同比例聚合物的氢键，发现在PEO/PVC 70/30和PEO/PVC 30/70的共混物中的氢键的数量多于PEO/PVC 50 /50。
Hua Yang等通过分子动力学计算了纯PHB和纯PEO的浓度参数，计算结果与文献吻合，很好地证明了模拟的准确性。为了揭示PHB、PEO共混后的性质，计算了玻璃化温度，证明了他们的相容性。
李倩、姚维尚、谭惠民为研究叠氮黏合剂的力学性能及其与硝酸酯的相容性，应用分子动力学模拟法模拟计算了不同软段、硬段的叠氮聚氨酯热塑性弹性体的杨氏模量、内聚能密度及其与硝酸酯的溶度参数。
结果证明：
(1) 当异氰酸酯部分由极性的苯环结构(MDI、TDI)变化为非极性的脂环结构(IPDI) ,随着异氰酸酯极性的减弱，其杨氏模量逐渐减小；
(2) 当硬段(二异氰酸酯) 相同时，不同种类的叠氮预聚物引起的杨氏模量的大小顺序为:GAP＞PAMMO＞PBAMO，其溶度参数的大小顺序为:GAP＞PBAMO＞ PAMMO；
(3) 当叠氮聚醚与四氢呋喃的摩尔比为50:50时，所得共聚物作为软段的热塑性弹性体，其杨氏模比采用叠氮均聚醚时的模量有明显减小，引入THF可以达到改善叠氮黏合剂力学性能的目的，但其溶度参数明显减小，可能导致聚氨酯与硝酸酯的混溶性变差；
(4) 叠氮黏合剂与DEGDN的混溶性比与NG 及NG+DEGDN混合溶液的混溶性好；
Materials studio作为很有应用前途的分子模拟软件已经被充分认识，在高分子领域的应用正不断扩大。因为通过分子模拟技术来设计和改性高分子材料，可以缩短实验周期，提高效率并节约成本，减少人为造成的数据和分析误差。所以有理由相信计算机分子模拟技术必将逐步取代传统的实验手段，广泛应用于生物、化工和材料领域的开发和研究。
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