在分子动力学模拟中,静电相互作用的计算时间一直以来都是模拟效率提升的瓶颈;在一般性的模拟中,它基本占据了整个模拟周期的绝大部分时间。为了节约模拟时间,一般静电相互作用影响不大的体系都会忽略相应的静电计算,这样就影响了模拟结果的准确性。而针对静电相互作用影响较大体系,其模拟过程则是一件长期艰巨的工作。在过去几十年当中,人们提出了许多有效计算静电相互作用的方法,其中Ewald在1921年提出的加和方法已成为当今处理静电相互作用的标准算法之一。后来由Hockney和Eastwood提出的基于格点的算法PPPM以及由Darden提出的PME算法都是基于Ewald算法架构不断改进的结果。F.Hedman和A.Laaksonen在2006年提出一种新的计算静电相互作用的ENUF方法,它采用了非均匀快速傅里叶变换(NFFT)来计算Ewald方法中的倒易空间部分的静电相互作用,该算法有效地降低了静电相互作用的时间复杂度。本论文主要研究内容如下:(1)本文的重点研究工作是在ENUF算法的基础上进一步大幅度地提高静电相互作用的计算效率。首先,针对Ewald加和中实空间静电相互作用部分,采用一种计算近邻格点的算法(NearDistance)来尽量减少近邻链表(neighbor-list)中与之相互作用的格点的数量,使得在某一截断半径内与某一个格点相互作用的周围格点呈现球状,而非正方体,这样可以有效地减少实空间部分静电计算量。其次,在整个静电相互作用的计算过程中采用了基于GPU的并行方案,尤其是在倒易空间部分的静电相互作用计算过程中,本论文基于新的算法理论开发了非均匀快速傅里叶变换NFFT的GPU版本,并且针对静电相互作用对其做了特殊的优化,使得倒易空间部分的静电计算效率有了质的飞跃。由于本论文对静电相互作用的改进主要是基于GPU的CUDA并行方案和ENUF方法进行的,因此为了叙述方便将本文的方法称之为cu-enuf。之后,本论文对cu-enuf方法进行了精度和效率的测试,与传统的enuf方法相比,cu-enuf在保持与其具有相同精度的同时,在效率上有了多个数量级的提升。(2)马德隆(madelung)常数是一个与离子晶体结合能计算相关的无量纲常数,仅与离子晶体的晶格结构有关,每一种类型的晶体有其唯一的马德隆常数。本文利用cu-enuf方法分别计算了nacl和caf2晶格的静电能,从而计算出它们的马德隆常数,通过参照标准的马德隆常数表验证了cu-enuf方法的有效性。(3)将cu-enuf融合到耗散粒子动力学(dpd)模拟中,本文研究了聚电解质链在相同盐浓度溶液中随着链上电荷增加呈现的典型构象分布。聚电解质链上带有相同的正电荷,溶液中加入相同数量负电荷的抗衡离子以确保溶液整体呈电中性。同时溶液中加入一定量浓度的盐离子,带有等量的正电荷和负电荷。针对聚电解质链上的带正电荷粒子数的不同比例,计算模拟结果聚电解质链的回转半径来测量链塌缩或者伸展的程度。最终发现聚电解质链随着带电粒子数的增加,其链的构象由塌缩逐渐变为伸展。其次,在聚电解质链粒子上都带上电荷的情况下,逐渐增加盐的浓度,可以发现由于盐离子静电屏蔽的作用使得链的构象再次由伸展状态逐渐开始收缩。(4)两性离子聚合物具有许多特殊的性质,这些性质引起了相关领域广泛的关注。2016年m.muthukumar等人利用动态和静态光散射实验研究了2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱聚合物(pmpc)以及n-丁基替代的磷酸胆碱聚合物(pmbp)溶解特性,结果表明pmpc和pmbp呈现出完全不同的溶解特性。本文使用dpd模拟方法重现了m.muthukumar的实验结果,并且研究pmpc和pmbp的反聚电解质效应(ape),分析了它们之间不同溶解特性和反聚电解质效应的原因。结果表明丁基的存在提高了pmbp在水溶液中的静电相互作用和疏水性,两者共同作用导致pmbp链在水溶液中的聚集;模拟进一步表明疏水性对pmbp聚集的贡献要略大于静电相互作用的贡献;同时,PMPC显示出了较明显的反聚电解质效应,但是较强的疏水性却抑制了PMBP反聚电解质效应的产生。此外,本文还进一步研究了两性离子聚合物分子内部的反平行结构以及其产生的机理和影响因素等。