高分子有沒有和計算機相關的專業方向？

01-04

謝邀哈！

高分子+計算機有很多相關領域啊。

首先說傳統高分子模擬：

1）自組裝

多嵌段高分子的組裝。有序組裝在前幾年計算機模擬興起的時候，是一個很熱門的研究方向。不僅在實驗上有很多的研究，計算機模擬也有很多出色的工作。中國科學技術大學梁好均教授實驗室在2005年前後自洽場和monte carlo方法在這個方向上做了不少相關的工作，隨便舉一個受限體系的組裝結構(J. Chem. Phys. 124, 104906 (2006); J. Chem. Phys. 114, 10510 (2001)等)：

（這個預測結構，後來被實驗證實了。實驗文章發表在science上！）

有比如micelle的組裝結構：

PHYS. REV. LETT. 100, 137802(1-4),2008.

另外，國內外有其他很多人，比如Shi, An-chang, Jeff. Chem, Feng Qiu, 楊玉良等使用SCFT等等研究了多嵌段高分子的組裝。

雖然我舉的例子有點老了，都是5-10年的例子了。大家不要以為這個領域已經over，沒有人做了。實際上採用自洽場研究嵌段高分子的組裝依然是一個火爆的研究領域，上面提到的許多大牛，都在這個領域裡面耕耘呢。組裝裡面牽扯的概念特別廣泛，包括細胞，蛋白，普通高分子聚合物等等。。。有興趣可以大家多找找文獻看哈。。。

不過當時大家採用的方法也比較有限，而且研究也偏理論。尤其是研究模型一般也比較物理抽象化的模型，比如一個高分子鏈，可能只是採用串珠模型來模擬高分子。雖然這種模擬也可以抓住物理本質，計算得到的相圖也比較精確，但是不同高分子鏈的差異是不大能比較精確的反映出來。

所以後來就有人開始出大招了，新一代的粗粒化(coarse-grained)方法被提出來。其中比較著名的有美國賓大的的Dr. Michael L. Klein教授（現在是美國賓州temple U的College of

Science and Technology的Dean）和Russell DeVane，Wataru Shinoda等人提出來surfactant， lipids，水分子等等粗粒化模型，他們應用這個模型做了大量的自組裝工作。比如這個：

他們在science也對CG的問題做了一些perspective reivew討論：

M. L. Klein and W. Shinoda, "Large-Scale Molecular Dynamics Simulations of Self-Assembling Systems" Science, 321, 798 (2008)。

還有一些review:

W. Shinoda, R. DeVane, M. L. Klein, "Computer Simulation Studies of Self-Assembling Macromolecules" Curr. Opin. Struct. Biol. 22, 175 (2012).

當然現在最火爆的模型是martini模型，我想就不做介紹了。隨便一搜，幾百上千的引用，應用也特別廣泛。Martini模型不僅包括一些surfactant, lipid，還有一些蛋白模型等等。

除此之外，UIUC的Klaus Schulten (估計做模擬的人都知道他，大名鼎鼎的NAMD+VMD，神一般的存在！！！)關於膜和蛋白，也提出了一個很簡單的模型。他們用很大的珠子來描述蛋白還有lipid。粗粒化到什麼程度呢，就是這樣:

這是一個BAR和membrane，導致膜彎曲的研究。一個珠子，表示N個lipids,你懂得。得多粗粒化。

當然國內的也有一些類似的精細CG化模型的工作，最早的可以追溯到梁好均教授和李學進博士在2005年的一個工作，這個工作當時還被ACS年度推介了，

1. X. J. Li, X. J. Ma, L. Huang, and H. J. Liang. Developing coarse-grained force fields for cis-poly(1,4-butadiene) from the atomistic simulation. Polymer 2005, 46, 6507-6512. [pdf]

2. X. J. Li, D. Z. Kou, S. L. Rao, and H. J. Liang. Developing a coarse-grained force field for the diblock copolymer poly(styrene-b-butadiene) from atomistic simulation. J. Chem. Phys. 2006, 124, 204909(1-7).[pdf]

3. S. L. Rao, X. J. Li, and H. J. Liang. Developing coarse-grained force fields for polystyrene with different chain lengths from atomistic simulation. Macormol. Res. 2007, 15, 610-616.[pdf]

4. X. J. Li, J. Y. Guo, Y. Liu, and H. J. Liang. Microphase separation of poly(styrene-b-isoprene) diblock copolymer: A dissipative particle dynamics simulation study. J. Chem. Phys. 2009, 130, 074908(1-7).

2. protein folding.

protein folding似乎已經是永恆的話題了。蛋白質是由氨基酸序列組成的，但是蛋白質要發揮自己的功能，必須具備一定的結構。對蛋白質稍有了解的人都知道，蛋白質的結構其實是一個非常精緻的，氨基酸序列發生改變，會對蛋白質的結構產生很大的影響，尤其是是活性位點的結構突變。氨基酸序列怎樣從一個無結構的形態摺疊成具有生物功能的形態是人們關注的問題，圖如下。

蛋白質摺疊，我想，每個人第一眼想起來的就是下面這個圖：

上圖是Ken A. Dill和Justin L. MacCallum於2012年在science發表一篇一篇關於protein folding裡面的圖[The Protein-Folding Problem, 50 Years On]。論文鏈接在這裡：Science Magazine: Sign In

protein folding為什麼這麼引人關注，這片論文的作者在abstract裡面就提到，protein folding涉及到三個未解的問題：

The term refers to three broad questions: (i) What is the physical code by which an amino acid sequence dictates a protein』s native structure? (ii) How can proteins fold so fast? (iii) Can we devise a computer algorithm to predict protein structures from their sequences?

protein folding的研究模型，是一個很長的話題。最早也是最簡單的模型就是----monte carlo格子模型，後來變成非格子模型。後來有更真實的粗粒化模型，還有atomic level的。即便是現在計算機計算能力如此強悍的今天，protein folding依然是一個非常困難的題目。所以，華盛頓大學的David Baker發動大家，一起來解蛋白，哈哈。他做了一個遊戲，Foldit （https://fold.it/portal/），讓全世界人民一起來解蛋白質的結構，於是他的論文裡面，出現了這樣的情況：

科學網上還有一個關於這個的趣談介紹：科學網—10,000,000名作者的論文。

對protein folding，老實講，我的了解很粗糙。隨便做一點點介紹，算是科普吧。最後給一個較為詳細的介紹鏈接：

Protein Folding and Stability

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因為事兒比較多比較忙，所以更新很慢，有的時候就會忘記要寫哪些內容了。

以後想起來再慢慢更新。

已經講到的兩個方向，只是其中兩個比較主要的方向。高分子計算機模擬涉及的領域還是很寬泛的，其它的還有生物大分子的結構和功能，微流，能源材料等等。

關於高分子和計算機的結合，當然就是模擬。我覺得計算機模擬，就不要把高分子限制在傳統高分子的範疇內，很多相關的領域，包括生命科學，尤其是生物大分子，也應該放到裡面去。就醬。

......我看到有人提到計算蛋白質摺疊的，這裡閑扯一下，求輕噴......

蛋白質摺疊作為polymer研究的一個分支是很早就有的，但是因為這個分支比較特殊，所以現在一般是作為一個獨立的研究領域......雖然仍然有些人把這個看作高分子的一個範疇，但跟很多soft matter研究還是不同的。一方面是蛋白質有很高的各向異性，這點就能造成模型構建的很大困難。

分子動力學模擬顯然是一個看似萬金油的方法（像停機演算法？）但是事實上由於種種局限很難解決很多"實際問題"，所以蛋白質研究在某些方面依然很原始，通過計算一些玩具模型來研究某些理想化的狀況，比如說像H-P格點（不要小看這種玩具模型的計算量......三維的話不優化非常爆炸）

http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1207382109 （相關綜述 Thirumalai D, O』Brien EP, Morrison G, Hyeon C (2010) Theoretical perspectives on protein folding. Annu Rev Biophys 39:159–183. ）

當然蛋白質是很複雜的。（de novo）蛋白質結構預測本身就是一個大坑了，蛋白質動力學是一個更大的坑，至今各種手段都用上了，我們對蛋白質的無序態仍然一無所知（因為構象太過於複雜了）。我覺得需要慎重考慮相關的問題......搞點經費的想法是好的就是不要把命都搭進去了......

看到本校控制系和信息系也有研究聚合動力學的。初看他們博士論文很不屑，不就建個模型優化下嗎，好輕鬆啊……咱得實驗室和理論都得顧啊，一個實驗得重複好幾周啊，數據哪能那般理想的匹配啊

當然有的呀。

據我所知，主要是做分子模擬和聚合反應機理相關的計算機模擬，涉及一部分計算化學。

我是在讀本科生，這是我某位老師的研究方向，其中「高分子科學中的Monte Carlo方法」以及「量子化學計算與分子模擬」都是計算機相關的，不過據說他手下做這個方向的研究生似乎非常少…

順便給我老師打個廣告，他的個人主頁：http://mypage.zju.edu.cn/jling，可以看到他的計算機相關的論文什麼的，題主有興趣可以看一看？

有啊，我念書的時候，研究生有個方向就是反應模擬，配方統籌…哥幾個玩的想吐血

分子動力學

不邀自來，終於能找到些能回答的問題了。我想說能結合的地方太多了。高分子材料加工cad cae cam都必須要熟練掌握。如果是做高分子結晶、高分子流動模擬方面的軟體開發，計算機圖形學和編程也是必須掌握的功課。

有，我們實驗室就有這個，做計算模擬。每天不做實驗就在那編程運算，套用各種模型，然後修改參數什麼的，用來研究雙親聚合物在溶液中的自組裝行為。那位老師在學院網站簡介上就寫到歡迎有編程經驗的同學報考她的研究生。貌似相關研究的課題組還是蠻多的！

復旦楊玉良院士的相關工作，應該是國內大牛了

做模擬~直接不用進實驗室。。。

DPD 模擬溶劑交換法研究聚合物囊泡的自組裝及對藥物的釋放

計量方面

各種Monte Carlo模擬.以前一去開會總是想搞清楚這是怎麼回事,結果就是每次都被搞得不知所云.

分子模擬啊，用計算機模擬高分子鏈運動情況等等