分子動力學(xué)模擬課件

關(guān)于分子動力學(xué)模擬的初步認(rèn)識摸金校尉關(guān)于分子動力學(xué)模擬的摸金校尉1主要內(nèi)容分子動力學(xué)模擬概述MD模擬所需條件勢函數(shù)與系綜牛頓運動方程及其求解主要內(nèi)容分子動力學(xué)模擬概述2一、分子動力學(xué)模擬概述

一、分子動力學(xué)模擬概述

3為什么要搞MD模擬

Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.實驗方法無法獲得過程中粒子微觀細(xì)節(jié)，成本高等計算機模擬指導(dǎo)為什么要搞MD模擬

Chemistryisnolong4定義分子動力學(xué)模擬（MolecularDynamicsSimulation）：通過計算機對原子核和電子所構(gòu)成的多體體系中的微觀粒子之間相互作用和運動進(jìn)行模擬，把每一原子核視為在全部其他的原子核和電子所構(gòu)成的經(jīng)驗勢場的作用下按照牛頓定律進(jìn)行運動，進(jìn)而得到體系中粒子的運動軌跡，再按照統(tǒng)計物理的方法計算得出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等宏觀性能。任務(wù)：通過求解經(jīng)典牛頓運動方程，計算一個經(jīng)典多體體系的平衡和非平衡性質(zhì)系統(tǒng)描述：粒子坐標(biāo)x，速度（動量）v，受力f，時間t模擬體系大?。簬装俚缴习偃f個粒子，對應(yīng)于幾個到幾十個nm。定義分子動力學(xué)模擬（MolecularDynamicsS5MD模擬的一般過程構(gòu)建構(gòu)型動力學(xué)過程模擬構(gòu)型性能計算結(jié)果分析勢函數(shù)系綜初始條件周期性邊界條件所需條件MS構(gòu)建晶胞RDF,CN等MD模擬的一般過程構(gòu)建構(gòu)型動力學(xué)過程模擬構(gòu)型性能計算結(jié)果分析6二、勢函數(shù)與系綜二、勢函數(shù)與系綜7原子間作用勢對勢（Pairpotential）：認(rèn)為原子間的相互作用是兩兩之間的作用與其他原子的位置無關(guān)多體勢（Many-bodyeffects）：在多原子體系中一個原子的位置不同將影響其它原子間的有效相互作用硬球勢、Lennard-Jones勢、Morse勢、Born-Lande勢及Johnson勢嵌入原子法（EAM勢）、多體相互作用勢（FS勢）、TB勢等勢函數(shù)簡介原子間作用勢對勢（Pairpotential）：認(rèn)為原子8Lennard-Jones勢（LJ)間距為R的兩個原子總勢能：L-J勢能曲線σ和ε為因原子而異的勢能參數(shù)勢能最低點為r=21/6σ,σ大小表征原子間平衡距離。ε為由勢能最低點到勢能為0點的差。排斥項吸引項Lennard-Jones勢（LJ)間距為R的兩個原子總勢能9EAM勢（嵌入原子法）系統(tǒng)中能量：為第j個原子在i個原子處貢獻(xiàn)的電荷密度嵌入能對勢項是除第i個原子以外的所有其它原子的核外電子在第i個原子處產(chǎn)生的電子云密度之和：EAM勢（嵌入原子法）系統(tǒng)中能量：為第j個原子在i個原子處貢10長程F-S勢函數(shù)對勢多體勢多體勢對勢對勢c:正的無量綱常數(shù)ε：有能量量綱的參數(shù)α：有長度量綱的參數(shù)m,n：正整數(shù)對于不同研究體系，5個參數(shù)取值不同長程F-S勢函數(shù)對勢多體勢多體勢對勢對勢c:正的無量綱常數(shù)11系綜簡介系綜（Ensemble）：相空間中具有相同熱力學(xué)性質(zhì)的所有點的集合。分類微正則系綜(microcanonicalensemble)--NVE系綜，孤立體系正則系綜(canonicalensemble)--NVT系綜，動量為0，封閉體系巨正則系綜(grandcanonicalensemble)--μVT系綜，開放體系吉布斯系綜(Gibbsensemble)--NPT系綜等壓等焓系綜（constant-pressure,constant-enthalpyensemble）--NPH系綜系綜簡介系綜（Ensemble）：相空間中具有相同熱力學(xué)性質(zhì)12系綜調(diào)節(jié)系綜調(diào)節(jié)主要是指在進(jìn)行分子動力學(xué)計算過程中，對溫度和壓力參數(shù)的調(diào)節(jié)調(diào)溫技術(shù)：Berendsen熱浴、速度標(biāo)度、Gaussian熱浴、Nose-Hoover熱浴調(diào)壓技術(shù)：Berendsen方法、Anderson方法、Parrinello-Rahman方法系綜調(diào)節(jié)系綜調(diào)節(jié)主要是指在進(jìn)行分子動力學(xué)計算過程中，對溫度和13三、MD模擬所需條件三、MD模擬所需條件14MD模擬所需條件初始條件：模擬對象的起始位置，速度，執(zhí)行溫度，積分步長等值得確定。直接關(guān)系到模擬計算的復(fù)雜程度。初始位置可采用能量最小化的方法取能量最低的結(jié)構(gòu)為起點。均勻相的液態(tài)系統(tǒng)常取其晶體結(jié)構(gòu)；不知道結(jié)構(gòu)的可以以面心立方為起點初始速度由初始溫度下的Maxwell-Boltzmanndistribution隨機選取MD模擬所需條件初始條件：模擬對象的起始位置，速度，執(zhí)行溫度15MD模擬所需條件周期性邊界條件（periodicboundarycondition）：是為了解決少數(shù)粒子來模擬宏觀體系的問題而引入的。模擬體系由基本單元在各個方向上重復(fù)疊合而成，模擬時只需保留基本單元，其他單元與基本單元由平移對稱性關(guān)聯(lián)。rc<L/2MD模擬所需條件周期性邊界條件（periodicbound16四、牛頓運動方程及其求解四、牛頓運動方程及其求解17分子力場（ForceField）原子i在其它原子的作用勢場Ei(ri)中運動總作用力：分子力場（ForceField）原子i在其它原子的作用18牛頓運動方程原子i受力：加速度：i原子經(jīng)過t時間后的位置牛頓運動方程原子i受力：加速度：i原子經(jīng)過t時間后的位置19牛頓運動方程給定t=δt計算反復(fù)計算得軌跡δt一般為飛秒（femtosecond）級牛頓運動方程給定t=δt計算反復(fù)計算得軌跡δt一般為飛秒（f20求解常用算法：Verlet算法，Leap-frog(蛙跳)算法,Gear算法1.Verlet算法:將粒子位置以泰勒式展開求解常用算法：Verlet算法，Leap-frog(蛙跳)212.Leap-frog(蛙跳)算法2.Leap-frog(蛙跳)算法223.Gear算法（校正預(yù)測法-predictor–correctormethod)）v,a,b,為r的1次，2次，3次微分將位置函數(shù)泰勒展開3.Gear算法（校正預(yù)測法-predictor–23由于速度加速