请问如何模拟有机分子从无序到有序的自组装过程

CrysW555

我目前研究的课题是一类能够自组装形成有序的柱状pi-pi堆积的有机分子材料，希望通过gromacs模拟这样有序的自组装过程。然而在模拟过程中我首先利用packmol在立方体盒子中放置了几十个分子，没有加入溶剂分子的情况下，在NVT系综下进行模拟，分子会快速的聚集形成无序的团簇，即使经过数十上百ns的模拟也观察不到有序的pi-pi堆积。之后我使用模拟退火的方法将体系在100ns内升温到900K，使无序的聚集体分散开，然后再在400ns内降温到300K，依然不能得到有序的柱状堆积，甚至重复若干次后，最多只能得到两三个分子的堆积，所以我只能把这两三个分子堆积的构象取出作为结构单元，然后再重新用packmol建模，反复经过很多轮之后才有可能得到比较长的柱状堆积结构，但是我总觉得这样的做法过于刻意，而且比较低效。经过一番文献调研结合我自己的经验，我考虑了几种可能的解决办法，如下：

1.使用模拟退火的方法虽然能够提高温度逃脱局部能量极小值的限制但是很难有效地探索到有序堆积的构象。是不是温度的设置和升降温速率的设置不合理？
2.使用基于集合变量的增强采样算法，但是我不知道应该用什么样的集合变量来描述和驱动整个系统的有序程度的变化。
3.使用副本交换等不基于集合变量的增强采样算法，我猜测可能和模拟退火一样，反复的在无序聚集的构象之间采样，而难以得到有序的堆积构象。
4.体系模型构建有问题，也许应该加入溶剂分子，但是由于我之前对类似结构的分子进行模拟时对比有无溶剂的情况没有感觉到溶剂对于堆积模式的影响，为了降低成本所以后来就都没带溶剂。而且实验中对这种材料直接加热升温然后冷却之后就可以观察到有序堆积的形貌，没有依赖溶剂。

以上是我的一些想法，总的来说我的问题是如何能够更有效率的模拟分子从无序聚集到有序堆积的过程，希望各位老师能够针对我的问题提出一些宝贵的建议，非常感谢！

牧生

和我以前有点像，我觉得可能原理上是相通的。

某些简单的自组装，是很容易观察期望的聚集形状的，比如表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵在水中形成球形胶束。

我以前尝试过模拟表面活性剂在水中形成棒状胶束，比如十六烷基三甲基溴化铵和水杨酸钠复配体系。但实际上，在较低浓度下，如100mmol/L，实验条件下已经形成棒状胶束，溶液本身也具有不错的粘弹性，但无论我用GAFF或者opls，或者gromos力场来跑模拟，都不能跑出期待的圆柱形，只能得到球形状的聚集体。但是如果把浓度提高很多很多，比如800 mmol/L，则模拟是可以看到期待的棒状胶束的。原因可能是因为现有力场精度仍然不足，或者电荷仍然差点意思，需要自己额外调参数。

我也看过国内一篇论文，做的表面活性剂的胶束，他们是先在盒子中把表面活性剂摆成了圆柱状结构，然后跑这个结构的水溶液。。如果跑散了，就说明不稳定，如果维持这个结构，就说明稳定。虽然我也觉得该种做法显得很刻意，但是这也是一种途径。


希望以下的文献对你有帮助。

Developing and Validating a Set of All-Atom Potential Models for Sodium Dodecyl Sulfate   
Molecular Dynamics Simulations of Sodium Dodecyl Sulfate Micelles in Water The Effect of the Force Field   
Ionic Surfactant Aggregates in Saline Solutions: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) in the Presence of Excess Sodium Chloride (NaCl) or Calcium Chloride (CaCl2)

Molecular Dynamics Simulation of the pH-Induced Structural Transitions in CTAB/NaSal Solution                 这篇论文最后一个图，可能对你有用