Membrane simulation models from nm to $μ$m scale
综述了近年来脂膜模拟模型的研究进展。为了降低计算成本，已经提出了各种粗粒度的分子模型。其中，隐式溶剂（无溶剂）分子模型是相对更粗粒度和有效的模拟大双层膜。在$μ$ m尺度上，分子细节通常可以忽略不计，膜可以描述为连续的曲面。提出了流体和弹性膜的网格或无网格离散理论模型。作为应用的例子，在流动，囊泡形成和膜融合的囊泡的动力学。
2008-11-29 cond-mat.soft
Contact-induced molecular reorganization in E. coli model lipid membranes
本研究利用大肠杆菌内膜模型脂质膜，发现膜-基底接触可降低转变温度、减慢相转变动力学并诱导侧向分子重组，验证了物理接触驱动细菌膜脂筏形成的理论，对理解细菌膜功能有重要意义。
2025-08-04 cond-mat.soft
Non-equilibrium molecular dynamics of steady-state fluid transport through a 2D membrane driven by a concentration gradient
本文首次提出非平衡分子动力学算法模拟浓度梯度驱动的二维膜稳态流体输运，验证其与Onsager倒易关系一致且效率更高，并与连续介质理论定量对比，为二维材料膜应用提供分子层面理解。
2023-09-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Curvature-driven molecular flows on membrane surfaces
生物体内双层膜的形态变化不是自发的，而是受到多种蛋白质的调控。大多数这些调节与相关蛋白在双层膜中拥挤的脂质环境中的定位有关。本文提出了一种适用于多种扩散分子在膜表面定位的数学模型。我们从弯曲膜表面上分子分布的能量描述开始，通过组装双层膜的弯曲能和扩散分子的熵能。引入了膜中分子的自发曲率，定义了双层膜的自发曲率是膜表面分子浓度的函数。这种联系产生了漂移扩散方程来控制表面分子浓度的梯度流动。我们重铸的充满活力的制定和相关的控制方程在欧拉框架，通过使用相场函数，定义的膜形态。计算模拟与建议的数学模型和相关的数值技术预测的分子定位在膜表面上的位置与首选的平均曲率。
2016-06-28 cond-mat.soft q-bio.QM
Speed-quality tradeoff in a physical model of molecular sorting
University of Graz（格拉茨大学）；Politecnico di Torino（都灵理工大学）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)（意大利国家核物理研究所）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Italian Institute for Genomic Medicine (IIGM)（意大利基因组医学研究所）；Candiolo Cancer Institute IRCCS（坎迪奥洛癌症研究所）
本研究扩展分子分选的统计物理框架纳入动态膜行为，确定了囊泡分裂与高效分选的参数区域，发现分子蒸馏的速度-质量权衡，提出以负熵产生率最大化平衡该权衡的准则。
2026-09-07 cond-mat.soft
Coarse-grain Molecular Dynamics Study of Fullerene Transport across a Cell Membrane
药物分子通过细胞膜进入细胞的能力的研究在药物递送领域中是至关重要的。在药物分子通过膜的运输不容易被破坏的情况下，使用其他载体分子。球形富勒烯分子已被假定为高亲水性药物穿过质膜的潜在载体。本文采用粗粒分子动力学方法研究了C60富勒烯及其衍生物在1，2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DSPC）双层细胞膜中的迁移。模拟结果表明，原始富勒烯分子迅速进入双层，并驻留在其中。极性官能团的加入使富勒烯不太可能驻留在双层，但增加了它们在本体水中的停留时间。在富勒烯表面的一半上添加极性官能团，实际上产生了Janus颗粒，这在开发富勒烯模型中提供了最大的希望，该模型可以实现通过膜双层的完全易位。
2015-03-14 cond-mat.soft
Molecular interfacial rheology: Lipid membrane shear viscosity
McKetta Department of Chemical Engineering, University of Texas（德克萨斯大学麦基塔化学工程系）
该研究开发了分子界面流变学方法，通过平衡态分子动力学模拟结合Mori-Zwanzig形式理论，从脂质膜的横向速度自相关函数中提取波矢相关的剪切粘度，结果经非平衡模拟验证，适用于表征嵌入三维介质的界面系统流变特性。
2026-09-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Determination of Elastic Parameters of Lipid Membranes with Molecular Dynamics: A Review of Approaches and Theoretical Aspects
脂质膜在活生物体中是丰富的，在那里它们构成细胞及其细胞器的包围壳。有许多情况下，其中涉及的脂质膜的变形在活细胞：融合和裂变，膜介导的膜内含物之间的相互作用，脂质-蛋白质相互作用，孔的形成等，在所有这些情况下，弹性参数的脂质膜是重要的膜变形的描述，因为这些参数确定的能量障碍和特征时间的膜参与的现象。自分子动力学（MD）发展以来，人们提出了多种用于模拟脂膜弹性参数测定的计算机模拟方法。这些MD方法允许考虑在实验技术中无法实现的细节，并代表了一个独特的科学领域，这是迅速发展。这项工作提供了一个审查这些MD的方法，侧重于理论方面。确定了两个主要的挑战：（i）从弹性理论的连续描述到MD模拟的离散表示的过渡中的模糊性，以及（ii）脂质混合物的固有弹性参数的确定，这是复杂的，由于组合物曲率耦合效应。
2022-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Dynamics of a Highly Curved Membrane Revealed by All-atom Molecular Dynamics Simulation of a Full-scale Vesicle
尽管全原子分子动力学模拟在揭示脂质双层的性质方面取得了巨大的成功，但膜的曲率和动力学之间的相互作用仍然难以捉摸。这在很大程度上是由于模拟高度弯曲的膜所涉及的计算挑战，如在小囊泡中发现的膜。在目前的工作中，由于Anton2的计算能力，我们提出了第一个全原子分子动力学模拟的全尺度，现实组成的（异质和不对称）有意义的时间尺度的囊泡（超过10微秒），揭示了各种脂质分子独特的生物物理特性（扩散系数、每个脂质的表面积、序参量）和高度弯曲环境中的填充缺陷。最有趣的是，相同脂质组成的双层在平坦时没有表现出相共存，在高度弯曲时显示出非常强的相共存指标。脂质分子中发现的曲率引起的不同阶段仔细验证其独特的组合物，面积每脂质，停车缺陷，以及扩散系数。全原子分子动力学模拟的结果与以前的实验和理论模型是一致的，提高了对小的，高度弯曲的细胞器的纳米级动力学和膜组织的理解。
2022-07-25 cond-mat.soft
Molecular Self-Organization of Three-Component Lipid Membranes
通过构建一个Landau型能量泛函，我们研究了细胞膜中三组分混合物的分子组织。在强相互作用的限制，我们使用赝自旋变量分子之间的相互作用模型，并使用平均场论将它们转换为非相互作用的变量。其次，我们通过Helmholtz自由能构造了双序参量Landau型能量泛函。通过对朗道自由能的分析，绘制了细胞膜上均相态和不同相分离态的相图。
2020-01-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Coarse grained molecular simulations of membrane adhesion domains
我们使用粗粒的支持脂质双层分子模型来研究粘附域的形成。我们发现，这一过程是一个一阶相变，触发的组合成对的短程吸引力之间的相互作用的粘附键和多体Casimir的相互作用，介导的膜的热波动。模拟结果显示了良好的协议与最近提出的威尔-Farago 2D晶格模型，其中占据和空的网站分别代表，粘附键和未结合的膜段。第二个相变，到六角相，观察到的粘合键之间的吸引力进一步加强时。
2014-06-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Enhanced molecular diffusion near a soft fluctuating membrane
Clemson University（克莱姆森大学）；CNRS, Sorbonne Université（法国国家科学研究中心，索邦大学）；Université de Toulouse, CNRS, INPT, UPS（图卢兹大学，法国国家科学研究中心，国立高等矿业-电信学校联盟，图卢兹第三大学）
研究发现软波动膜可增强溶剂分子扩散，通过自发动量交换促进混合，与大粒子的流体动力学机制不同。
2025-07-04 cond-mat.soft
Local ion environment in polyamide membranes revealed by molecular dynamics
University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
本研究利用分子动力学模拟揭示了反渗透膜内的局部离子环境，发现膜内离子配位方式与水中相似但配位数减少，且阳离子与酰胺氧原子的结合显著阻碍离子迁移。
2025-10-31 cond-mat.soft
Molecular Dynamics Simulations of Membrane Selectivity of Star Peptides Across Different Bacterial and Mammalian Bilipids
University of Melbourne（墨尔本大学）；RMIT University（皇家墨尔本理工大学）
本文通过全原子分子动力学模拟揭示了Alt-SNAPP星形抗菌肽聚合物通过静电作用选择性结合细菌膜而排斥哺乳动物膜的机制，为设计低毒性抗菌聚合物提供了分子依据。
2025-10-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Pores in Bilayer Membranes of Amphiphilic Molecules: Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulations Compared with Simple Mesoscopic Models
我们采用分子粗粒模型，通过对两亲物-溶剂混合物的分子动力学模拟研究了流体膜中的孔。两亲性膜自组装成由溶剂层分隔的两亲性双层的层状堆叠。我们专注于无张力膜的特殊情况下，孔自发出现，因为热波动。它们的空间分布类似于一组随机的排斥性硬盘。单个孔的尺寸和形状分布可以满意地描述由一个简单的介观模型，该模型仅占一个孔独立的核心能量和线张力罚款在孔边缘。特别地，孔不是圆形的：它们的形状是分形的，并且具有与二维环状聚合物相同的特征。最后，我们研究了孔隙的尺寸波动动力学，并将其轮廓长度的时间演化与线性势中的随机游走进行了比较。
2005-01-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Sorting of multiple molecular species on cell membranes
本文扩展细胞膜分子分选物理模型以处理多种分子并行蒸馏，揭示平均停留时间的异质性标度律、同型亲和力相近及高价态对分选效率的影响。
2023-01-23 cond-mat.soft q-bio.SC
Large Slowdown of Water Dynamics at Stacked Phospholipid Membranes for Increasing Hydration Level: All-Atoms Molecular Dynamics
水水合磷脂膜决定了它们的稳定性和功能，以及它们与其他分子的相互作用。在这篇文章中，我们研究，使用全原子分子动力学模拟，旋转和平移动力学性质的水分子限制在堆叠的磷脂膜在不同水平的水合作用，从水化不良到一个完全水合的膜。我们发现，水的平移和重定向动力学显着放缓的水合作用减少。通过对界面氢键结构和动力学的详细分析，发现水分子间氢键和水与脂质间氢键均随水化程度的降低而减慢，但水与脂质间的氢键总是比水与脂质间的氢键慢。通过增加水合作用，水饱和了与脂质的所有可能的氢键，并且通过进一步增加水合作用，水之间的氢键成为大多数。然而，水-脂质氢键的动力学变得比水-水氢键的动力学慢一个数量级，即使在大的水合水平下，也会引起整个系统的动力学的大幅减慢。
2016-03-08 cond-mat.soft
Electrostatic cooling in Ion-Exchange Membranes
在离子交换膜工艺中，离子和水在流体静压、离子化学势和电势（电压）的梯度的影响下流动，导致溶剂流动、离子通量和离子电流。在膜的外表面，形成双电层（EDL）（唐南层）。当电流流过膜时，我们认为，除了焦耳加热的大部分的膜和膜外的电解质中，也有静电加热和冷却的EDLs。此外，当流体流过带电膜时，在膜的外侧，由于跨EDL的渗透压和流体静压差，存在与压力相关的加热或冷却。
2019-06-28 cond-mat.soft physics.chem-ph
Molecular Structuring and Percolation Transition in Hydrated Sulfonated Poly(ether ether ketone) Membranes
磺化膜的相分离程度和水的渗透是影响其在燃料电池中性能的关键。为此，采用原子分子动力学（MD）模拟方法研究了不同水合水平（λ：每个磺酸基团的水分子数）下水合对磺化聚醚醚酮（sPEEK）膜形态和传输特性的影响.在分子水平上，局部形态的演变进行了研究的结构对相关性和最小对距离，和运输性能的均方位移（MSDs）和扩散系数进行了研究。在sPEEK中的水-硫相互作用被发现比在Nafion中的更强，如在实验中观察到的。与Nafion相反，观察到水合氢离子与磺酸盐的相互作用比水弱。发现sPEEK膜中水的行为远离本体，如其扩散系数所示。模拟数据分析表明，在低λ时，最大的水团簇形成水分子和水合氢离子的狭窄连接路径。随着λ的增加，出现了更大的水区域，在λ = 15时跨越了模拟箱的一半以上。在所有水合水平下都存在小的孤立簇，表明sPEEK中的相分离程度小于Nafion中的相分离程度。在分子和集体水平上的各种分析表明，在λ = 8和10之间发生了渗滤转变，这导致膜中的水通道连接网络，从而提高了水合氢离子的流动性。
2017-01-24 cond-mat.soft
The understanding of the penetration and clusterization of 1-alkanol in bilayer membrane: An open outlook based on atomistic molecular dynamics simulation
本研究通过原子分子动力学模拟，揭示了1-烷醇链长对其在DOPC双层膜中渗透深度和分布的影响，发现链长截止值n=12导致渗透时间延长和团簇化，为理解麻醉分子分配异常及全身麻醉机制提供了新见解。
2025-05-30 cond-mat.soft
Spatiotemporal pattern formation of membranes induced by surface molecular binding/unbinding
本研究通过无网格膜模拟探究非平衡膜图案形成，发现分子结合/解离及翻转可诱导不同时空模式，结合改变自发曲率时会耦合微相分离，非平衡条件下出现运动双相域等结构。
2025-01-13 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Molecular Decomposition of the Area Compressibility Modulus of Lipid Membranes
Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院弗鲁姆金物理化学与电化学研究所）
本研究通过分子动力学模拟和维里应力分析，将脂质膜面积压缩模量分解为分子基团贡献，发现烃链主导弹性，水-头基作用次之，为膜弹性提供微观解释。
2026-09-15 cond-mat.soft
Membrane separation study for methane-hydrogen gas mixtures by molecular simulations
直接模拟结果的静态气体传输通过纯硅沸石膜（MFI，LTA和DDR类型），提出了使用混合，非平衡分子动力学模拟方法最近推出。所研究的CH $_{4}$和H $_{2}$气体的分子间势模型取自文献。对于不同的沸石，使用相同的原子（Si和O）相互作用参数，并根据它们的真实（MFI，LTA或DDR）晶体结构构建膜。通过进行平衡吸附模拟并将计算结果与实验吸附等温线的数据进行比较，测试了所施加的电位参数的现实性质。在25 ℃和125 ℃，2.5、5或10巴下进行的输运模拟结果清楚地表明，CH $_{4}$的渗透选择性高于纯组分的相应渗透率比，并且与混合物吸附的平衡选择性显著不同。我们只在一个病例中经历了有利于CH $_{4}$的转运选择性。不同类型的选择性数据之间的较大差异可归因于膜中组分的不同迁移率、它们对膜的负载的依赖性以及气体分子的不同吸附偏好。
2017-06-22 cond-mat.soft
Pore-Spanning Lipid Membrane under Indentation by a Probe Tip: a Molecular Dynamics Simulation Study
我们通过分子动力学模拟研究了悬浮在疏水基底上的纳米孔上的独立脂质膜的压痕。我们发现，在压痕过程中，膜在接触点弯曲，膜的边缘沿孔边缘间歇性地向下滑动，当边缘到达边缘底部时停止滑动。随后继续弯曲，并且大的应变最终在膜中引起相变，从双层结构转变为叉指结构。当压痕足够深时，膜最终破裂。计算了孔区的几个局部物理量，包括脂质分子的倾斜角、排列顺序、夹角和相邻脂质之间的距离。这些量的变化揭示了许多详细的，尚未指定的局部结构的脂质分子下压痕的转变。对压痕力-压痕曲线进行了研究和讨论。结果使微观结构和宏观性质之间的联系，并提供了深入的了解跨越纳米孔的脂质膜的稳定性。
2011-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Effect of local stress on accurate modeling of bacterial outer membranes using all-atom molecular dynamics
本研究通过全原子分子动力学模拟，探讨膜构建方案引起的局部应力对铜绿假单胞菌外膜与PQS分子相互作用的影响，发现差异应力可改变自由能最小值位置，为膜建模提供关键见解。
2022-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydroxide Transport and Mechanical Properties of Polyolefin-Based Anion Exchange Membranes from Atomistic Molecular Dynamics Simulations
本研究通过原子分子动力学模拟探究聚烯烃基阴离子交换膜的氢氧根输运与力学性能，揭示构效关系与二者的权衡，为高效筛选新型膜材料提供分子层面的依据。
2024-04-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dynamics of water and solute transport in polymeric reverse osmosis membranes via molecular dynamics simulations
采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟方法，研究了水和甲醇、乙醇、异丙醇、尿素、Na+、Cl-等6种溶质在聚酰胺反渗透膜FT-30中的迁移特性。结果表明，水的传输增加与连接的膨胀的自由体积，或水可访问的开放空间，在膜聚合物结构的分数增加。该自由体积通过膜在分子水平上的动态结构而增强，因为膜在水合时膨胀并且由于分子碰撞而振动，从而允许连接相对的膜表面的连续路径。可用于溶质运输的曲折路径导致溶质分子的布朗运动，并且当它们穿过膜的聚合物网络结构时从孔跳到孔。对于具有较大范德华体积的溶质，醇溶质的运输降低，这对应于膜聚合物结构内较少的可用的可膨胀自由体积或溶质可进入的空间。然而，脱水溶质的范德华尺寸通常不是预测溶质传输或排斥的良好量度。与乙醇相比，尿素的转运减少，这很可能是由于更复杂的化学性质，尽管尿素的范德华体积比乙醇小。Na+和Cl-经历最低的运输，可能是由于强的离子-水和离子-离子静电相互作用。
2016-07-15 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Molecular dynamics studies of interactions between Arg9(nona-arginine) and a DOPC/DOPG(4:1) membrane
众所周知，细胞穿透肽（CPP）的摄取机制取决于实验条件，如肽的浓度，脂质组成，温度等。在这项研究中，我们调查的Arg 9渗透到DOPC/DOPG（4：1）膜的温度依赖性使用分子动力学（MD）模拟在两个不同的温度，T = 310 K和T = 288 K。虽然这是很难确定的温度依赖性，因为只有一个单一的模拟在每个温度下，并没有证据表明Arg 9 s跨膜易位，我们的模拟表明，以下是强烈相关的Arg 9 s的渗透：一些水分子由Arg 9 s协调，Arg 9 s和脂质分子之间的静电能。我们还介绍了Arg 9如何改变膜的弯曲刚度，以及Arg 9之间的集体行为如何增强渗透和膜弯曲。我们的分析可以适用于任何细胞穿透肽（CPPs），以研究它们与各种膜的相互作用，使用MD模拟。
2020-10-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular Dynamics simulations of Doxorubicin in sphingomyelin-based lipid membranes
多柔比星（DOX）是用于许多癌症治疗的最有效的抗肿瘤药物之一。将其掺入基于脂质的纳米载体（如脂质体）中，提高了药物靶向肿瘤细胞并减少了药物副作用。预计载体的脂质组成会影响DOX的相互作用及其分配到脂质体膜中。为了合理地了解这方面并确定有前途的脂质组合物，我们使用数值模拟，它提供了在原子分辨率水平上DOX-膜相互作用的独特信息。特别是，我们结合经典的分子动力学模拟和自由能计算来阐明质子化阿霉素分子（DOX+）渗透到潜在的脂质体膜的机制，在这里建模为基于磷脂酰胆碱（PC），鞘磷脂（SM）和胆固醇脂质分子的混合物，不同的组合物和脂质相的脂质双层。此外，我们分析DOX+分区到SM为基础的脂质双层系统的相关区域使用自由能方法的组合。我们的研究结果表明，DOX+渗透和分区促进进入不太紧密包装的SM基膜，并依赖于脂质组成。这项工作为进一步研究基于脂质的载体的最佳配方铺平了道路，例如与pH响应膜相关的那些。
2021-09-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Molecular Fluid Flow in MoS$_2$ Nanoporous Membranes and Hydrodynamics Interactions
本研究利用非平衡分子动力学模拟考察水流通过相邻MoS$_2$纳米孔时的流体动力学相互作用，发现该尺度下诱导压力场对邻近微滤器水通量的影响并不显著。
2020-10-01 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Decoupling support-dependent transport profiles from molecular water motion
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials e.V（德国互动材料莱布尼茨研究所）
本研究通过NEMD模拟PEGDA膜，发现不同支撑约束虽产生显著不同的压力与浓度剖面，但分子水动力学几乎不变，表明仅凭剖面不足以判定传输机制，水运动以随机扩散为主。
2026-09-22 cond-mat.soft
Relaxation and curvature-induced molecular flows within multicomponent membranes
对膜的定量理解仍然植根于20世纪70年代由Helfrich等人进行的关于两亲性双层的工作。然而，大多数生物膜也包含各种各样的非两亲性分子。绘图类比与物理学中的水/非水的混合物，我们提出了一个动态（平衡）的描述，这样的多组分膜。该方法结合了线虫流体动力学的线性政权和正确使用（微分）几何。主要结果是证明，可以得到方程描述的交叉扩散效应（类似于Soret和Dufour效应）之间的曲率和（膜内）流动的两亲分子相对于非两亲的。令人惊讶的是，膜的形状根据平均曲率中的简单热方程松弛，这一过程伴随着两亲物从高曲率区域扩散的同时推进。该模型还预测了逆过程，通过该过程，膜的强制弯曲诱导两亲分子流向高曲率区域。原则上，相关扩散系数的数值应可通过实验验证。
2014-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Chiral molecules on curved colloidal membranes
胶体膜是由棒状分子自组装而成的单层膜，它为设计具有特定形状和曲率的膜提供了模板，并可能在未来提供新的功能。通常，由于其分子手性，组成杆相对于膜法线倾斜。弯曲膜上这种倾斜的空间模式是由耗尽力、双极性相互作用、分子手性和边界效应之间的竞争引起的。我们提出了一个协变理论的倾斜模式上最小的表面，像螺旋面和悬链面，这已经在实验室中产生的最近。我们预测了几个不均匀的倾斜模式，其中一些是一致的实验观察和一些，这是尚未被发现。
2020-07-30 cond-mat.soft
Labyrinthine water flow across multilayer graphene-based membranes: molecular dynamics versus continuum predictions
在本文中，我们调查的水通过石墨烯为基础的膜的流体动力学渗透，最近的实验结果石墨烯氧化物膜的启发。我们考虑穿过具有交错排列的纳米缝的多个石墨烯层的流动，其中层间距离范围从亚纳米到几纳米。我们比较结果的渗透率通过分子动力学模拟的连续预测通过使用格子玻尔兹曼计算和流体动力学建模。这突出表明，尽管极端的限制，在石墨烯基膜的渗透性定量预测的基础上的连续表达，适当地考虑到入口和滑移的限制水流的影响。我们的预测反驳了这些膜系统在小尺度上的流体力学故障。它们构成了一个基准，我们比较发表的实验数据。
2016-06-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Spiralling molecular structures and chiral selectivity in model membranes
针对模型膜致密脂质结构域的面内分子取向细节不明问题，采用相位分辨和频产生显微镜技术解析混合手性磷脂单层膜的三维分子结构，发现其呈螺旋介观堆积且结构域生长具强对映选择性，可为同手性演化及对映选择性药物设计提供启示。
2023-12-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Heterogeneous biological membranes regulate protein partitioning via fluctuating diffusivity
本文利用朗之万动力学与相场方法模拟异质生物膜，揭示了蛋白质在有序/无序域中的扩散率涨落及亚扩散机制，并定量证明域间扩散率差异、域偏好和分子浓度共同决定蛋白质分配。
2023-08-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Characterizing the embedded states of a fluorescent probe within a lipid bilayer using molecular dynamics simulations
本研究利用分子动力学模拟结合增强采样方法，探究了荧光探针Prodan在DOPC膜中的嵌入状态，发现乙醇的加入会减少膜中心空隙，从而减弱Prodan的取向偏好。
2025-06-25 cond-mat.soft
Self-assembly of 2D membranes from mixtures of hard rods and depleting polymers
我们阐明的分子力导致组装的二维膜状结构组成的一个杆长厚单层的对齐杆从不混溶悬浮液的硬棒和耗尽聚合物。我们进行模拟预测，单层膜是热稳定的临界杆纵横比以上，低于临界耗尽相互作用长度尺度。在这些条件之外，诸如堆叠的近晶柱或微滴的替代结构是热稳定的。这些预测证实了使用病毒杆状分子和非吸附聚合物的实验模型系统。我们的工作表明，集体分子突起波动本身就足以稳定膜组成的均匀杆与简单的排除体积相互作用。
2011-03-14 cond-mat.soft
Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes
人们对石墨烯基材料的过滤和分离性能非常感兴趣，这些材料可以具有明确的纳米孔并在其中表现出低摩擦水流。在这里，我们研究通过氧化石墨烯层压板的分子渗透。它们在干燥状态下是真空密封的，但如果浸入水中，则充当分子筛，阻挡水合半径大于4.5 A的所有溶质。较小的离子渗透通过膜，阻抗很小，比扩散机制快许多数量级。我们通过一个纳米胶囊网络来解释这种行为，该网络在水合状态下开放，并且只接受适合的物种。小盐的超快分离归因于“离子海绵”效应，其导致石墨烯毛细管内的高度浓缩的盐溶液。
2014-01-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Membrane lateral structure: The influence of immobilized particles on domain size
在模型膜的实验中，很容易观察到不同脂质组成的大域的形成。然而，在完整细胞的膜中没有观察到这样的相分离。相反，在这些系统中，预计会出现一种称为脂筏的小的瞬时不均匀结构。解释小结构域的众多尝试之一是指膜与其周围环境的耦合，这导致一些膜分子的固定。然后，这些固定的分子充当剩余的移动分子的静态障碍物。我们提出了详细的分子动力学模拟证明，这确实可以占小域。这证实了以前基于简化模型的Monte Carlo研究。此外，通过直接比较使用分子动力学得到的域结构的伊辛模型的蒙特卡罗模拟，我们表明，在障碍物的存在下，域的形成是显着不敏感的分子相互作用的细节。
2012-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Simple Experimental Model to Investigate Force Range for Membrane Nanotube Formation
活细胞中膜小管的存在对于许多生物过程是必不可少的。在细胞中，形成纳米尺寸的脂质小管的一种机制是通过分子马达诱导的双层提取。在本文中，我们描述了一个简单的实验模型，以调查所需的力量，脂质管形成使用驱动蛋白马达锚定DOPC囊泡。以前的相关研究使用分子马达主动拉动膜以提取纳米管。在这里，我们反转系统的几何形状，分子马达被用作静态锚连接DOPC囊泡的二维微管网络和外部流被引入到产生纳米管的阻力促进。我们发现，约7 pN的拖曳力足以用于半径为1至2 μ m的囊泡的小管提取。通过我们的方法，我们发现由单个分子马达产生的力足以从球形脂质囊泡中提取膜小管。
2016-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Mesoscale computational studies of membrane bilayer remodeling by curvature-inducing proteins
生物膜构成细胞和细胞器的边界。原子尺度的物理化学机制取决于蛋白质-脂质相互作用强度、脂质组成、蛋白质附近的脂质分布、蛋白质的形状和氨基酸组成及其氨基酸含量。分子间相互作用的特异性和多种蛋白质的协同性在介观尺度上诱导并稳定了复杂的膜形状。这些形状跨越了从球形质膜到高尔基体复杂池的广泛范围。绘制蛋白质诱导的变形在分子尺度和由此产生的介观形态之间的关系是跨越各种长度尺度的细胞实验的关键。在这篇综述中，我们专注于理论和计算方法来理解的现象背后的蛋白质驱动的膜重塑。这里讨论的一套方法可以定制的应用程序在特定的细胞环境中，如货物运输和迁移细胞中的丝状伪足结构的tuberase过程中的内吞作用，这使得这些方法的实验研究的有力补充。
2015-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coarse-grained molecular dynamics simulation of binary charged lipid membranes: Phase separation and morphological dynamics
生物膜主要由中性和带电的脂质组成，具有多种功能结构和动力学。在这里，我们报告了一个粗粒度的分子动力学（MD）模拟的相分离和形态动力学在带电的脂质双层囊泡。与中性囊泡相比，带电囊泡中电荷头基之间的屏蔽长程静电斥力延迟或抑制了侧向相分离，表明相分离机制从旋节分解转变为成核或均匀分散。此外，静电斥力导致形态学的变化，如孔的形成，并进一步转化为磁盘，字符串，和bicelle结构，这是时空耦合到带电脂质的横向隔离。基于我们的粗粒度MD模拟，我们提出了一个合理的机制，在分子水平上的孔形成。在一个带电的脂质丰富的域中的孔的形成是由在域中的局部分子取向的先前的干扰。
2016-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Impact of Lipid Structural Variations on Bilayer Properties: A Coarse-Grained Molecular Dynamics Study
该研究采用基于Martini力场的粗粒化分子动力学模拟7种脂质，揭示了酰基链长度、不饱和度及头部基团类型对双层膜厚度、每脂质分子面积、侧向扩散系数等性质的影响，深化了膜生物物理认知，为脂质基系统的生物医学设计提供参考。
2024-12-12 cond-mat.soft
Vesicle shape, molecular tilt, and the suppression of necks
分子倾斜顺序的存在是否会显著影响脂质双层膜的形状，特别是窄颈膜的形状？出于对倾斜顺序的倾向和常见的发生在生物过程的中间阶段，如内吞作用和囊泡贩运的窄颈，我们研究如何倾斜顺序抑制形成的平衡形状的囊泡的颈部。对于具有球形拓扑结构的囊泡，需要总强度为$+2$的分子顺序中的点缺陷。我们研究轴对称的形状，并假设有一个单位强度缺陷在每个极点的囊泡。该模型被进一步简化的假设倾斜各向同性：相对于当地的膜正常的分子的旋转的能量的不变性。这种各向同性条件导致倾斜阶和曲率的最小耦合，从而使具有高斯曲率和倾斜阶的区域具有高能量成本。在固定面积和固定封闭体积的约束下，最小化弹性自由能确定了允许的形状。使用数值计算，我们发现几个分支的解决方案，并确定它们与以前已知的流体膜的分支。我们发现，倾斜顺序改变分支的相对能量，抑制薄颈，使他们昂贵，导致细长的扁长囊泡作为一个通用的家庭倾斜有序膜形状。
2007-07-26 cond-mat.soft
Interpreting effective energy barriers to membrane permeation in terms of a heterogeneous energy landscape
该研究将过渡态理论扩展至包含膜自由能势垒分布，揭示最可渗透路径上的最高势垒主导实验观测到的有效势垒，并指出忽略膜异质性会导致对输运机制的错误解释。
2024-06-07 cond-mat.soft physics.chem-ph
Molecular Weight Dependence of Polymersome Membrane Elasticity and Stability
囊泡制备在水中从一系列的二嵌段共聚物，并称为“聚合物囊泡”的物理特性。随着分子量$\bar{M}_n$的增加，聚氧化乙烯-聚丁二烯（PEO-PBD）的自组装双层的疏水核厚度$d$增加至20 $nm$ -显著大于任何先前研究的脂质系统。通过显微操作测量这些膜的机械响应，具体地，面积弹性模量$K_a$和最大面积应变$α_c$。正如界面主导弹性所预期的那样，发现$K_a$（$\simeq$ 100 $pN/nm$）与$\bar{M}_n$无关。相关的平均场理论也预测了$α_c$的极限值，该极限值是普遍的，并且比脂质的典型极限值高出约10倍。实验确实表明$α_c$通常随着$\bar{M}_n$而增加，接近应力松弛之前的理论极限，这与最高$\bar{M}_n$下的链缠结相反。结果突出了在纳米尺度上的自组装的界面限制。
2002-02-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Computer Simulations of a Heterogeneous Membrane with Enhanced Sampling Techniques
非均相磷脂膜的平衡态的计算确定是一个重大的挑战。我们希望探索这些多组分体系的丰富相图。然而，在膜中的扩散和混合时间是长的com-promise典型的时间的计算机模拟。为了加快弛豫时间，使用了先进的模拟方法。我们评估了增强的采样技术，如MDAS（分子动力学与炼金术步骤）和MC-MD（蒙特卡罗与分子动力学）与粗粒度模型的膜（马提尼）的组合，以减少达到平衡所需的步骤和力的评估。我们说明了一个显着的增益相比，简单的分子动力学的Martini模型之间的因素3至10。该组合是一个有用的工具，以加强相分离和生物膜中的域的形成的研究。
2020-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Transient osmotic flows in a microfluidic channel: measurements of solute permeability and reflection coefficients of hydrogel membranes
本文提出一种微流控方法，通过测量正向渗透引起的瞬态流动，同时测定水凝胶膜的溶质渗透系数和反射系数，并据此精确估计其截留分子量。
2025-06-06 cond-mat.soft
Desalination Performance of Nano porous Mos$_2$ Membrane on Different Salts of Saline Water: A Molecular Dynamics Study
本研究通过分子动力学方法，探讨了纳米多孔Mos$_2$膜在不同盐水脱盐中的性能，发现其水渗透率随孔径和压力增加而提高，但离子截留率有所下降，为海水淡化提供了高效节能的潜在解决方案。
2023-11-26 cond-mat.soft
Selective molecular transport in thermo-responsive polymer membranes: role of nanoscale hydration and fluctuations
对于广泛的现代软功能材料，亚纳米尺寸的分子（“促渗剂”）通过刺激响应性聚合物膜的选择性转运是所需功能的关键。在这项研究中，我们研究了从非极性到极性的分子和离子的反渗透剂在一个矩阵的崩溃聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）聚合物在水中广泛的分子动力学模拟。我们发现，水分布不均匀的分形簇结构嵌入在纳米尺寸的聚合物基体的空隙。纳米聚集的水作为渗透剂扩散的重要参与者，其通过跳跃机制通过“湿”过渡态进行：渗透剂通过由罕见但决定性的聚合物波动打开的瞬态水通道从一个空隙跳跃到另一个空隙。所研究的渗透剂的扩散率延伸超过近五个数量级，从而使一个明确的非斯托克斯，指数依赖的扩散系数的渗透剂的半径不带电的渗透剂的分析比例关系的制定。带电的反离子（离子）在被大的孤立的水分子团簇捕获时表现不同。最后，我们发现大的能量激活障碍跳跃，这显着依赖于水合状态，从而挑战现有的运输理论。
2018-06-19 cond-mat.soft
Coarse-grained molecular dynamics simulation for uptake of nanoparticles into a charged lipid vesicle dominated by electrostatic interactions
我们使用粗粒度的分子动力学模拟来研究中性或带电纳米颗粒（NPs）和由中性和带负电荷的脂质组成的囊泡之间的相互作用。我们专注于亲水性和疏水性的吸引力和静电相互作用的脂质分子和NP之间的相互作用强度。当疏水相互作用足够强时，中性NP穿过脂质膜。随着带正电荷的NP的化合价增加，与中性NP相比，NP的膜渗透速度增加，并且带电荷的脂质在带电荷的NP周围积累。一个带电荷的高价NP通过一个由带电荷的脂质或转运样内吞作用形成的瞬时通道穿过脂质膜。通过对渗透过程的密度关联函数分析，可以对渗透过程进行分类。当非静电相互作用参数足够大时，带负电荷的NP可以吸附在膜上，并且在NP正下方形成中性富脂区域。NP在各种条件下自发地掺入囊泡中，并且该掺入由膜曲率介导。我们揭示了NP的行为取决于NP价，大小和非静电相互作用参数。
2019-07-24 cond-mat.soft
Molecular behavior of DNA in a cell-sized compartment coated by lipids
研究了长DNA分子在细胞大小的有限空间中的行为。我们制备了被磷脂覆盖的油包水液滴，其模仿细胞的内部空间，随后用未折叠的螺旋和折叠的小球构象封装DNA分子。显微镜观察发现，卷曲DNA在膜表面的吸附依赖于囊泡空间的大小。球状DNA在膜上吸附后表现出细胞大小依赖性的展开转变。此外，当DNA与两相膜表面相互作用时，DNA根据其构象选择性地吸附在膜相，例如有序相或无序相。我们讨论了这些趋势的机制，考虑DNA的自由能与多胺在溶液中。该模型的自由能与实验数据吻合较好。DNA和多胺与膜表面的协同作用导致分子系统在小空间中的尺寸依赖行为。这些发现可能有助于更好地理解细胞内分子事件和反应的物理机制。
2015-04-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Parallel computing and molecular dynamics of biological membranes
在这次演讲中，我讨论了一般问题的可移植性分子动力学代码的扩散系统的并行计算机的APE家庭。目前可用的APE平台的固有单精度算法似乎不会影响模拟的数值精度，而从CPU到单个节点的整数寻址的缺乏对可能的编程策略提出了强烈的约束。用“收缩”法可以非常满意地模拟液体。对于更复杂系统，如我们最终感兴趣的生物系统，“区域分解”方法最适合于击败分子间计算时间与系统基本成分数量的二次增长。使用这种策略广泛的模拟脂质双层的前景进行了简要的回顾。
1997-09-17 cond-mat.soft hep-lat physics.bio-ph
