多层次自组装的多尺度模拟

The self-assembly of simpler building blocks into complex ordered structures via weak interactions in the external environment involves various physical and chemical processes on different temporal and spacial scales. It is a hierarchical and multiscaled problem. New theory and methods are highly expected in order to fully understand such complex processes. In this project we would like to develop the coherent multiscaled simulation method by connecting different resolution levels. We will first construct the coarse grained force field from the high-resolution data by bottom-up mapping, then perform efficient and low-cost dynamic simulations of copmlex self-assembling systems, and study the biosensitivity of gold nanorods and the self-assembly of water gel. We will also develop the concurrent simulation in one system which brings together the molecular dynamics simulation, coarse grained simulation, and continuum theory. This methodology will allow simulations in large mesoscopic or macroscopic environment without losing the atomic or sub-atomic details of the interesting local part. We will study the structure and thermodynamic properties of exampled systems, such as water and lipid bilayer. The accomplishment of this project will shine light on the general method of multiscaled simulations. It can also be well applied to investigate the self-assembly of various soft matter and biological systems, and the chemical properties of building blocks or large biomolecules in condensed medium.

基元在外部环境下通过弱键相互作用自组装成有序的高级结构包括了不同的时间和空间尺度内所发生的多种物理化学过程，是一个多层次、跨尺度的问题，充分理解这样的复杂过程需要发展新的理论和方法。本项目拟发展各层次间相互关联的多尺度模拟方法，自下而上逐层由高精度的计算得到更准确的粗粒化力场，实现对自组装复杂体系的动力学过程进行高效能、低成本的模拟，研究金纳米棒的生物识别功能和水凝胶的自组装过程；并在同一体系中实现从原子分子到粗粒化粒子、再到连续体系的同步模拟，以保证模拟能够在较大的介观或宏观环境中进行，同时不丢失所感兴趣的局域的原子或亚原子细节，并以水和磷脂双层膜为例研究其结构和热力学性质。本项目的完成将为建立普适的多尺度方法提供启迪,可以很好地研究软物质和生物体系的自组装过程、以及组装基元或生物大分子在凝聚态介质中的化学性质。

基元在外部环境下通过弱键相互作用自组装成有序的高级结构包括了不同的时间和空间尺度内所发生的多种物理化学过程，是一个多层次、跨尺度的问题，充分理解这样的复杂过程需要发展新的理论和方法。本项目发展并实现了从原子分子、到显式溶解粗粒化粒子、再到隐式粗粒化体系的多尺度的模拟方法，既保证模拟能够在较大的介观或宏观环境中进行，同时又不丢失所感兴趣的局域的原子或亚原子细节。应用这些方法，(1) 我们研究了金纳米棒和磷脂的组装，发现了具有丰富相图的组装结构，它们由磷脂与金棒的摩尔比和相互作用强度调控，通过调整这些影响因子可以有目的地组装特定结构的纳米金材料；(2) 研究了具有不同二级结构抗菌肽破坏生物膜的过程与机制，结果有助于人工设计合理的抗菌肽和抗病药物；(3) 研究了人体胰岛淀粉样多肽诱发二型糖尿病的微观机理，模拟结果表明静电作用诱导的膜孔和憎水作用诱导的磷脂无序是膜被破坏的因素，据此预言了一类无细胞毒性的小分子抑制剂；(4) 还研究了囊泡在聚多层电解质表面破裂和铺展的过程和机制，为制备人造细胞膜提供指导。本项目所发展的多尺度模拟方法具有良好的普适性，可用于系统地研究软物质和生物体系的自组装过程、以及组装基元或生物大分子在凝聚态介质中的化学性质，能够揭示自组装的微观机制、以及组装结构对功能的影响。