前言

在材料科学领域的研究中，玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature，Tg）是一项重要的研究性质，其指示了非晶态高分子材料从玻璃态转变高弹态的临界温度，是高分子运动形式转变的宏观体现，因而直接影响到材料的使用性能和工艺性能。玻璃化转变温度在实际应用中的意义在于评估材料在高温环境中的稳定性和加工性能、确定材料在特定温度下的物理和力学性质，以及根据所需的工作温度和性能要求选择适当的材料等。

目前，分子模拟是计算高分子材料玻璃化转变温度的常用方法之一。相比基于实验的传统方法，分子模拟方法成本低、效率高，无需进行实验设计、样品制备和实验操作，即可在相对较短的时间内得到结果。

本文以文献《Numerical Simulation on the Penetration of Gas Molecules in Poly(Chloro-p-Xylylene)》为例，该案例借助分子模拟方法计算并分析了典型热塑性塑料聚合物帕利灵C（Parylene C）的多项性质，并通过计算和验证玻璃化转变温度的方式说明了聚合物分子模型的合理性。将使用MaxFlow平台复现案例中的玻璃化转变温度计算过程并进行结果对比，展示创腾科技MaxFlow人工智能与分子模拟平台的部分操作流程，体现平台的可靠性与优势。

1.模型构建

针对分子结构模型的建模阶段，创腾科技MaXFlow人工智能与分子模拟平台提供了简明易懂的可视化建模界面，其功能包括涵盖所有元素的结构构建、晶体构建、表面界面构建、聚合物构建等，可以满足不同的建模需要。根据帕利灵C的分子式可轻易构建其单体分子再由聚合物构建功能构建长链结构。

帕利灵C的分子式与构建的单体分子结构

参考文献中的建模细节，基于单体分子结构构建帕利灵C的聚合物链并初步优化。

初步优化后帕利灵C的分子链结构

2.模拟流程

MaXFlow平台的一大核心特点是其自主研发的工作流引擎。平台通过将各种模拟算法封装为可连接的组件，用户可根据模拟需求连接不同功能的组件，以形成可自动完成多步骤计算任务的工作流。目前平台封装已封装的组件涵盖全面的分子动力学模拟功能，可完全满足本案例的模拟细节。依据本案例的具体模拟细节，我们连接了可自动计算帕利灵C玻璃化转变温度的工作流。

计算玻璃化转变温度的工作流

其中，“读取结构文件”组件可与结构库对接，快速调用前文中构建的帕利灵C分子链结构。

“构建无序结构”则能够按照自定义的盒子类型、结构组成成分数目、体系密度等参数自动构建包含一定数量的帕利灵C分子链的无定形立方盒子。

帕利灵C的无序结构模型

在分子动力学模拟中，力场是一种用于描述和计算分子间相互作用的数学模型，它定义了系统中分子之间的势能函数，以及由此而产生的力和能量。“力场分配”组件整合了包括Team、Amber、Reax等在内的多种力场，用户可根据研究需要自行设置。本案例使用的是MaXFlow与上海交通大学孙淮教授联合开发的Team通用力场，该力场是一系列由相同的第一原理计算和经验数据参数化的具有不同函数形式的全原子分子力场的集合，能够满足用户大部分模拟需求。

为了得到合理的初始结构，使系统趋于平衡，能量最小化和弛豫是分子动力学模拟中不可或缺的步骤，对此，MaXFlow平台封装了相应的功能组件。根据案例，我们以结构优化——等温等容（NVT）动力学模拟——循环退火模拟——等温等压（NPT）动力学模拟的顺序得到设定温度下稳定的帕利灵C结构。

最后，将MaXFlow平台中的玻璃化转变温度组件连接至弛豫组件之后，并连接热力学性能组件以监控模拟过程中体系是否稳定。至此，计算帕利灵C玻璃化转变温度的准备工作就全部完成。

3.结果对比

高分子聚合物在其玻璃化转变温度前后会发生体积的突变，因此玻璃化转变温度在数值上等于材料密度随温度变化速率发生改变时的温度。通常，分子动力学模拟中采用的方法是设定温度范围以及需考察的温度点，在每个考察温度点对材料结构进行弛豫平衡后获取该温度点下材料的密度值，玻璃化转变温度由所得密度随温度变化数据线性拟合后的交点所得。以上计算流程与数据输出皆由MaXFlow平台封装在“玻璃化转变温度”组件中。

在取得玻璃化转变温度结果之前，为保证体系平衡，右键点击“热力学性质”组件可查询密度变化的输出结果，可见每个考察温度点下的密度值基本收敛，说明在该温度点下体系已接近平衡，证明后续计算玻璃化转变温度的取值有效。

考察温度点下动力学平衡过程中的密度变化曲线

“玻璃化转变温度”组件可直接对所得数据进行拟合并取得直观的结果，省去了用户对数据进行后处理和作图的繁琐，右键点击组件即可直接查看拟合所得数值，可见由平台计算两次所得帕利灵C的玻璃化转变温度分别为320K与344K，此处在“构建无序结构”中生成几个结构，将产生对应结果数据，目的是为了消除模拟的随机性，参考相关文献中帕利灵C玻璃化转变温度的实验值为333K。对比实验结果可以看出，使用MaXFlow计算材料性质正确率高达99%。至此，帕利灵C的玻璃化转变温度计算完成。

平台与案例所得帕利灵C玻璃化转变温度。上：平台所得结果；右：案例结果

值得一提的是，为方便用户计算，MaXFlow平台提供APP发布功能，可将调试完善的工作流打包成可直接使用的APP并发布至资源广场。用户只需下载相应APP，将所研究材料体系的结构文件导入APP中即可直接提交计算任务，不需要重新构建工作流并调整参数。本文所用玻璃化转变温度工作流已证实可靠，目前已发布至资源广场方便用户直接使用。

MaXFlow平台的APP资源广场与部分已发布APP

创腾科技MaXFlow人工智能与分子模拟平台可以完整地实现高分子材料玻璃化转变温度的计算过程，所得结果与相关文献吻合程度高。相比传统模拟软件复杂繁琐的使用方式，平台提供的“工作流”模拟方案最大程度地整合了模拟流程中分散的步骤，大幅降低了研究者模拟计算的应用门槛与学习成本；同时，“浏览器-服务器”的平台架构又能够解放研究者的硬件设备，降低了软硬件成本。这些优势可以让研究者把更多的精力与投入放在研究本身，以便更为高效地取得研究成果与经济效益。