分子模擬教程

分子模擬教程第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機分子模擬的部分應(yīng)用領(lǐng)域：生物、制藥：

大分子性質(zhì)、藥物設(shè)計力學(xué)、物理學(xué)：

應(yīng)力與裂紋擴展、團簇研究化學(xué)、化工:

溶液理論、吸附、界面化學(xué)微電子、微機械：半導(dǎo)體工藝、微加工、

超薄膜潤滑：地質(zhì)、礦產(chǎn)：地核動力學(xué)、熔融鹽結(jié)構(gòu)

及其性質(zhì)第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月掌握分子模擬方法的必備知識：編程技能

(FortranorC/C++)

統(tǒng)計物理學(xué)（統(tǒng)計力學(xué)）：

統(tǒng)計物理學(xué)基礎(chǔ)；系綜原理；

非平衡統(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ)；漲落理論分子熱力學(xué)

：

分子間相互作用理論；分布函數(shù)理論氣體分子運動論其它第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月主要的學(xué)習(xí)參考書籍：1.ComputerSimulationofLiquids.

---M.P.AllenandD.J.Tildesley,OxfordUniversity(1987)2.TheArtofMolecularDynamicsSimulation.

---D.C.Rapaport,CambridgeUniversity(1995)3.UnderstandingMolecularSimulation:FromAlgorithmstoApplications.

----D.FrenkelandB.Smit,Academic(1996)第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.什么是計算機分子模擬方法？分子模擬的定義：

從統(tǒng)計力學(xué)基本原理出發(fā)，將一定數(shù)量的分子輸入計算機內(nèi)進行分子微觀結(jié)構(gòu)的測定和宏觀性質(zhì)的計算。

按照獲得微觀態(tài)的方法不同，分子模擬分為：蒙特卡羅方法(MonteCarlo,MC)分子動力學(xué)方法(MolecularDynamics,MD)(3)混合方法(hybridmethod，HM)第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機分子模擬的發(fā)展歷史：1. 蒙特卡羅方法（MC）

1953 Metropolis,Ulam,RosenbluthandTell

LosAlamosNationalLab

MonteCarlosimulationofhardsphere.2. 分子動力學(xué)方法（MD）

1957 AlderandWainwrigth LivermoreLab

Moleculardynamicssimulationofhard

spheres.第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機分子模擬的發(fā)展歷史（續(xù)）從上個世紀(jì)九十年代初期以來，計算機模擬技術(shù)得到了飛速發(fā)展，主要基于三個方面的發(fā)展：

分子力場的發(fā)展（基石）

（Amber，OPLS、Compass）

原子間的鍵長、鍵角、分子間的內(nèi)聚能等

模擬算法（途徑）

計算機硬件（工具）HPCx第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機分子模擬的特點：1. 原子水平的模擬2. 計算機實驗3. 檢驗理論、篩選實驗4. 科學(xué)研究中的第三種方法第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.MC方法簡介利用馬爾可夫鏈方法產(chǎn)生感興趣的系綜微觀態(tài)。

對這些微觀態(tài)進行系綜平均來獲得熱力學(xué)性質(zhì)。

只對系統(tǒng)中粒子的位置抽樣，不包含動能部分，提供的是系統(tǒng)的超額性質(zhì)。分類：

正則系綜(CanonicalMC)(NVT) 巨正則系綜(GrandCanonicalMC，GCMC)(VT)Gibbs系綜(GibbsEnsembleMC，GEMC)第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1正則系綜MC(CanonicalMC

SimulationparticlesNVolumeVTemperatureTInitialstater{N}第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月正則系綜的配分函數(shù)對于原子系統(tǒng)，位型（構(gòu)型）的配分函數(shù)：某個特定構(gòu)型的發(fā)生概率為PNVT(r)第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

典型算法(Metropolis)隨機選擇一個原子，并且計算其當(dāng)前構(gòu)型m的能量U(rm).

嘗試隨機移動此原子，rn=rm+(ranf-0.5),并且計算此新構(gòu)型n時的能量U(rn).

接受此移動的概率為Pmove

其中，Umn=U(rn)-U(rm)

第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2巨正則MCsimulation(GCMC)恒定V,T,和m，體系的粒子數(shù)發(fā)生波動；

可用于預(yù)測EOS-type的性質(zhì)，但主要是用來模擬吸附過程.第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月巨正則系綜配分函數(shù)對于原子系統(tǒng)，位型（構(gòu)型）的配分函數(shù)：

其中，s為標(biāo)度坐標(biāo)，r=V1/3。概率密度為：第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月MetropolisGCMCalgorithm產(chǎn)生巨正則系綜的馬爾可夫鏈的過程涉及到典型的、三種不同的隨機移動：

Attempttomoveaparticle(justlike

canonicalMC)AttempttocreateaparticleAttempttodeleteaparticle

第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月各種隨機移動的概率：第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3GibbsEnsembleMC(GEMC)特點:

尤其適用于研究純流體或混合物的相平衡問題；此方法不能用于涉及到非常稠密流體的相平衡問題；此方法能同時獲得共存相的各自密度及其組成；此方法避免了共存相界面的問題。第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

GEMC的配分函數(shù)對于原子系統(tǒng)，位型（構(gòu)型）的配分函數(shù)

N=N1+N2V=V1+V2constantT

V-V1V1第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

GEMC模擬算法：隨機選擇一個粒子進行移動(NVT).改變每個模擬盒子的體積，但總體積保持不變(NTP).盒子間交換粒子(VT)。第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月各種隨機移動的概率：第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)與討論系綜的等效性

采用什么系綜來求體系的熱力學(xué)量是無關(guān)緊要的，其結(jié)果實際上都是一樣的，這稱為不同系綜的熱力學(xué)等同性。但是：系綜選擇關(guān)系到熱力學(xué)量的漲落大?。幌稻C選擇決定于物理現(xiàn)象的特點和關(guān)鍵物理量的計算方便與否。第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.MD方法簡介概念：

從系統(tǒng)中各粒子間的相互作用解每個粒子的牛頓運動方程:(F=ma)。第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1MD的一般算法：在某t時刻，體系內(nèi)的粒子i具有位置ri(t),速度vi(t).

從ri(t),計算力fi(t).利用質(zhì)量mi,獲得ai(t).

利用ri(t),vi(t),ai(t)來計算出下一時刻(t+dt)時的位置ri(t+dt),速度vi(t+dt).

利用ri(t+dt),vi(t+dt)，從第一步開始循環(huán)重復(fù)，直到我們所需要的模擬時間長度為止。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2各態(tài)遍歷假說：一個力學(xué)體系在長時間的運動中，它的代表點可以無限接近能量曲面上的任何點，系綜平均等于長時間的時間平均。第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3解經(jīng)典牛頓運動方程的算法：Verlet算法：

優(yōu)點：精確，時間可逆；

缺點：速度有較大誤差，軌跡與速度無關(guān)，無法與熱浴耦聯(lián)Leapfrog形式優(yōu)點：軌跡與速度有關(guān)，可與熱浴耦聯(lián)缺點：速度近似；比Verlet算子多花時間

預(yù)測－校正格式數(shù)值積分有限差分法泰勒展開第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4經(jīng)典分子動力學(xué)的分類：NVE分子動力學(xué)恒溫分子動力學(xué)恒壓分子動力學(xué)恒溫恒壓分子動力學(xué)第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月其它分子動力學(xué)

粗?；肿觿恿W(xué)（Coarse-grainedmolecularDynamics,CGMD)耗散粒子動力學(xué)(DissipativeParticleDynamics，DPD)Atomisticmodel----CGmodel

a-glucoseresidue:monomerunitB1-B4’glycosidicbond第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5MC與MD的區(qū)別：MonteCarlo

系綜平均，不包含動力學(xué)部分；

利用概率行走產(chǎn)生微觀態(tài)。

Moleculardynamics時間平均，產(chǎn)生動力學(xué)性質(zhì)；

利用運動軌線隨時間的變化來產(chǎn)生一系列微觀態(tài)。第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.1關(guān)于模擬的一些邊界條件問題：（1）Nothing(vacuum)變緣的分子將會蒸發(fā)掉。適用于：液滴、納米粒子等；不適用于：本體系統(tǒng)（bulksystems）.第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）Wall結(jié)構(gòu)和性質(zhì)隨粒子與墻壁的距離而變化。適用于：吸附、受限流體等；不適用于：本體系統(tǒng)（bulksystems）.第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）周期性邊界條件：

(periodicboundaryconditions，PBC)對于無限擴展的本體系統(tǒng)的近似.；只需要跟蹤中心盒子中各粒子的運動。第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2勢能截斷(cutoffradius,rc)1.最小影像轉(zhuǎn)化選擇rc

￡L/2，與最小影像轉(zhuǎn)化一致只需要檢查指定粒子的最近影像粒子。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3勢能函數(shù)：對于MC和MD，它是最重要的條件。分子的結(jié)構(gòu)第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)有的勢能模型：對于小分子：

LJ，Stockmayer，Hardsphere，Yukawa等等對于生物大分子和聚合物：如蛋白質(zhì)、核酸、藥物分子等：Amber，OPLS，Charmm，DREIDING，UFF，Compass等等。第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月獲得勢能函數(shù)參數(shù)途徑：實驗數(shù)據(jù)擬合：如汽液相平衡、粘度等。AbInitio計算第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5.分子模擬在化工中的應(yīng)用領(lǐng)域：5.1 傳統(tǒng)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

建立狀態(tài)方程研究分子微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)展溶液理論研究分子的擴散性質(zhì)第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2 化工新技術(shù)開發(fā)中的應(yīng)用:在表面及界面過程研究中的應(yīng)用在復(fù)雜流體過程中研究的應(yīng)用

復(fù)雜流體如：膠體懸浮液、高分子溶液、

表面活性劑溶膠等。超臨界過程研究中的應(yīng)用第37頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月在多相催化研究中的應(yīng)用：對催化劑進行表征表面吸附與脫附過程及表面性質(zhì)的模擬催化劑表面反應(yīng)機理的模擬第38頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3介觀層次材料的計算機模擬

結(jié)構(gòu)是多層次、多尺度的，并且不僅要研究平衡結(jié)構(gòu)，還要研究結(jié)構(gòu)隨時間的演變。所謂結(jié)構(gòu)，就是粒子在空間有規(guī)律的分布。（胡英院士）微觀結(jié)構(gòu)（前納米），分子本身微觀結(jié)構(gòu)（近納米），除分子本身外，還指周

圍分子近程有序 介觀結(jié)構(gòu)（納米~微米）宏觀結(jié)構(gòu)（微米以上）結(jié)構(gòu)的多層次活性炭、碳納米管、層柱狀材料、分子篩等第39頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4化工領(lǐng)域中計算機模擬方法所面臨的問題和展望:人們對物質(zhì)微觀世界的了解遠(yuǎn)不如對相對成熟