分子動力學(xué)介紹

1、分子動力學(xué)簡介:分子動力學(xué)方法是一種計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)驗(yàn)方法，是研究凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。該技術(shù)不僅可以得到原子的運(yùn)動軌跡，還可以觀察到原子運(yùn)動過程中各種微觀細(xì)節(jié)。它是對理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物物理和藥物設(shè)計(jì)等。經(jīng)典MD模擬，其系統(tǒng)規(guī)模在一般的計(jì)算機(jī)上也可達(dá)到數(shù)萬個(gè)原子，模擬時(shí)間為納秒量級。分子動力學(xué)總是假定原子的運(yùn)動服從某種確定的描述，這種描敘可以牛頓方程、拉格朗日方程或哈密頓方程所確定的描述，也就是說原子的運(yùn)動和確定的軌跡聯(lián)系在一起。在忽略核子的量子效應(yīng)和絕熱近似(Born-Oppenheimer)下，分子動力學(xué)的這一種假設(shè)是可行的。所謂絕熱近似也就是要求在分子動力學(xué)過程中的每一瞬間電子都處于原子結(jié)構(gòu)的基態(tài)。要進(jìn)行分子動力學(xué)模擬就必須知道原子間的相互作用勢。在分子動力學(xué)模擬中，我們一般采用經(jīng)驗(yàn)勢來代替原子間的相互作用勢，如Lennard-Jones勢、Mores勢、EAM原子嵌入勢、F-S多體勢。然而采用經(jīng)驗(yàn)勢必然丟失了局域電子結(jié)構(gòu)之間存在的強(qiáng)相互作用的信息，即不能得到原子動力學(xué)過程中的電子性質(zhì)。2、分子模擬的三步法和大致分類三步法：第一步：建模。包括幾何建模，物理建模，化學(xué)建模，力學(xué)建模。初始條件的設(shè)定，這里要從微觀和宏觀兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。第二步：過程。這里就是體現(xiàn)所謂分子動力學(xué)特點(diǎn)的地方。包括對運(yùn)動方程的積分的有效算法。對實(shí)際的過程的模擬算法。關(guān)鍵是分清楚平衡和非平衡，靜態(tài)和動態(tài)以及準(zhǔn)靜態(tài)情況。第三步：分析。這里是做學(xué)問的關(guān)鍵。你需要從以上的計(jì)算的結(jié)果中提取年需要的特征，說明你的問題的實(shí)質(zhì)和結(jié)果。因此關(guān)鍵是統(tǒng)計(jì)、平均、定義、計(jì)算。比如溫度、體積、壓力、應(yīng)力等宏觀量和微觀過程量是怎么聯(lián)系的。大致分類：2.1電子模擬（量化計(jì)算，DFT）量子化學(xué)計(jì)算一般處理幾個(gè)到幾十個(gè)原子常見軟件：GAUSSIAN，NWCHEM等密度泛函（DFT）可以算到上百個(gè)原子常見軟件：VASP2.2分子模擬（分子動力學(xué)，蒙特卡洛）2.2.1分子級別的模擬以分子的運(yùn)動為主要模擬對象。采用經(jīng)驗(yàn)性的分子間作用函數(shù)模擬微粒之間的作用一般情況下不考慮電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，因而不能準(zhǔn)確模擬化學(xué)成鍵作用。廣泛應(yīng)用于化學(xué)，物理，生物，化工，材料，機(jī)械，治藥等領(lǐng)域1950s，Alder，勞倫斯利物默實(shí)驗(yàn)室，分子動力學(xué)模擬32個(gè)原子1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯實(shí)驗(yàn)室，蒙特卡洛模擬32個(gè)原子2.2.2蒙特卡洛方法蒙特卡洛是一種隨機(jī)方法，也是一種優(yōu)化方法通過蒙特卡洛算法來尋求能量最優(yōu)點(diǎn)通過系綜平均來求取宏觀性質(zhì)模擬的是平衡狀態(tài)，不涉及時(shí)間效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)是可以跨越時(shí)間因素，缺點(diǎn)是得不到有關(guān)時(shí)間信息的性質(zhì)CPMD:考慮量子效應(yīng)的分子動力學(xué)同時(shí)考慮原子核的運(yùn)動（牛頓力學(xué)）和電子的運(yùn)動（量子力學(xué)）能同時(shí)準(zhǔn)確模擬物理作用和化學(xué)鍵作用目前來說CPMD可以處理的體系還很?。◣资畟€(gè)原子）顆粒方法（CoarseGrain）將分子基團(tuán)（幾個(gè)或者幾十上百個(gè)原子）當(dāng)成單個(gè)的微粒來處理。微粒之間的作用也是通過類似于分子動力學(xué)的勢能函數(shù)來描述3、幾種常見的針對軟材料模擬分子動力學(xué)軟件namd/Research/namd/主要針對與生物和化學(xué)軟材料體系優(yōu)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)水平高，計(jì)算效率高，號稱可以有效并行到上千個(gè)處理器，兼容多種輸入和輸出文件格式，有很好的分析輔助軟件VMD；有很好的維護(hù)服務(wù)；不需安裝缺點(diǎn)自己安裝的話比較麻煩AMBER主要針對生物體系，也適當(dāng)兼容一般化學(xué)分子優(yōu)點(diǎn)有很好的內(nèi)置勢能模型；自定義新模型和新分子很方便；有很完善的維護(hù)網(wǎng)站。缺點(diǎn)計(jì)算效率不高（收斂到16個(gè)處理器），運(yùn)算速度慢CHARMM/主要針對生物體系，也包含部分化學(xué)體系優(yōu)點(diǎn)勢能模型更新很快；自定義新模型比較方便；維護(hù)服務(wù)很好缺點(diǎn)運(yùn)算速度慢，計(jì)算效率低TINKER/tinker/一般性分子動力學(xué)軟件，對生物體系略有偏重優(yōu)點(diǎn)支持多種模型缺點(diǎn)仍在開發(fā)中，某些方面還不完善LAMMPS/~sjplimp/lammps.html一般性分子模擬軟件優(yōu)點(diǎn)兼容當(dāng)前大多數(shù)的勢能模型；編程水平高，計(jì)算效率高（比NAMD差，強(qiáng)于其他所有類似軟件）；可以模擬軟材料和固體物理系統(tǒng)缺點(diǎn)維護(hù)差DL-POLYhttp://www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DLPOLY/一般性分子模擬軟件優(yōu)點(diǎn)界面友好;計(jì)算效率高（有兩個(gè)版本供選擇，適合于不同大小的體系）；維護(hù)服務(wù)很好缺點(diǎn)兼容性不好GROMACS/主要針對生物體系，也適當(dāng)照顧一般化學(xué)體系優(yōu)點(diǎn)算法好，計(jì)算效率高；界面友好；維護(hù)服務(wù)好缺點(diǎn)兼容性不好MaterialsExplorer多功能分子動力學(xué)軟件立足于Windows平臺的多功能分子動力學(xué)軟件。擁有強(qiáng)大的分子動力學(xué)計(jì)算及MonteCarlo軟件包，是結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域來研究材料工程的有力工具。MaterialsExplorer可以用來研究有機(jī)物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體等晶體、非晶體、溶液，流體，液體和氣體相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強(qiáng)度、缺陷等。MaterialsExplorer軟件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63個(gè)力場可供用戶選擇。MaterialsExplorer軟件擁有完美的圖形界面，方便使用者操作。功能：創(chuàng)建模型：

?MDCellBuilder創(chuàng)」建非晶和有序體系A(chǔ)ddMDCell―創(chuàng)建分層體系，如晶界和相界等MoleculeGenerator在吸附，spattering模擬中插入新的分子到MDCell附加工具：?MDCellBuilder創(chuàng)」建非晶和有序體系MoleculeBuilder提供所有類型的分子的創(chuàng)建CrystalBuilder——使用空間點(diǎn)群和不對稱單元創(chuàng)建晶體結(jié)構(gòu)，用于無機(jī)固體及分子晶體系統(tǒng)的研究PolymerModule模擬不定型聚合物pdb—bdl支持輸入pdb格式的文件各種靈活的模擬功能：NEV,NTV,NPH和NTP全部使用Parrinello-Rahman-Nose方法?兩種積分方法：Gear(predictor-corrector)和Hernandez(leap-frog)?使用SHAKE算法進(jìn)行鍵約束計(jì)算?可以采用周期邊界條件?研究異相系統(tǒng)(氣-固界面，固體顆粒邊界等)?多種分子模型：potential，rigidbody，bondconstraint，unitedatommodel?使用Parrinello-Rahman和Nose方法進(jìn)行溫度和壓力控制分子動力學(xué)模擬?初始馳豫一一阻止在液體和非晶模擬中的爆炸?外場：靜電場，磁場，重力場，包括球和彈性能力校正?電荷確定工具確定分子的原子電荷?輕松建立隨機(jī)多組分液相或氣相系統(tǒng)；?輕松進(jìn)行分子模擬，從而研究晶體或外延生長，表面吸附和表面破壞；?利用復(fù)制，剪切和粘貼功能建立帶有缺陷和雜質(zhì)的模塊系統(tǒng)分析：MonitoringModule顯示溫度，壓力，內(nèi)能以及其它熱力學(xué)性質(zhì)與時(shí)間的2D曲線圖3DAtomicConfigurationModule顯示系統(tǒng)的快照，軌跡和動畫MSDModule——從輸出數(shù)據(jù)計(jì)算均方位移（MSD）。顯示MSD的2D圖像，以及每個(gè)分子的自擴(kuò)散系數(shù)。PCFModule——計(jì)算配對相關(guān)性函數(shù)和自由基分布函數(shù)，并描繪出相應(yīng)的二維圖InterferenceFunctionModule根據(jù)一對相關(guān)函數(shù)計(jì)算X-ray和中子衍射。VoronoiModule計(jì)算Voronoi多面體的數(shù)目和這個(gè)多面體的面數(shù)。利用Voronoi分析對無定形固態(tài)