分子模拟的一些基本资料

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1、第1章前言1.1研究背景1.1.1分子模拟及其发展分子模拟(MolecularSimulation)为二十世纪初发展起来的一种计算机模拟方法，它泛指用于模拟分子或分子体系性质的方法，主要用于探索研究具有三维结构的分子结构和分子的性能[第2章分子动力学模拟法分子模拟作为一种计算机模拟技术，主要可以进行解释工作和预测工作。前者为实验奠定理论基础，通过模拟解释实验现象、建立理论模型、探讨过程机理等，后者为实验过程提供可能性和可行性研究，进行方案辅助设计、材料性能预测、过程优化筛选等。分子模拟所涉及的研究领域，涵

2、盖了物理、化学、化工、材料、生化等几乎一切可以通过建立理论模型进行研究的体系，多数能够得到与实验结果近似的计算结果，所以分子模拟己经逐渐成为与实验技术并重的强有力的研究手段。20世界90年代以来，由于计算机科学技术的飞速发展，分子模拟的地位日显突出。现在，理论分析、实验测定和模拟分析已成为现代科学的三种主要方法，在化工新产品、新材料和新药物的研究和开发中，采用分子模拟技术，可以从分子的微观性质推算及预测产品及材料的介观、宏观性质，已成为新兴学术方向。为探求纳米尺度下传热现象的规律和内在机理，我们必须从微观

3、细节着手，研究载热粒子的行为，并依据统计力学原理得到系统的统计性质。分子模拟技术为某些问题(如统计力学)的精确解答起到非常重要的作用，否则这些问题很难或只能近似求解。此外，一些在极温极压条件下很难或者根本无法进行的实验，利用分子模拟却比较容易做到，在这种情况下，它实际上是对理论应用范围的一个较好的检测。通过对比分子模拟的结果与真实的实验结果，分子模拟的结果可以检验理论的正确性，相反，真实的实验结果与理论可以检测模型构建的合理性，此两者相互联系相互进步，通过对比，我们可以修正所建立的模型，并从模拟结果中进一

4、步加深对所研究问题的理解，有助于解释出现的新现象。2.1分子动力学概述分子动力学模拟（MolecularDynamicsSimulation,MDS）是目前最广泛计算庞大复杂体系所采用的方法，并且现已广泛应用于计算物理、化学、材料、生物科学等领域内的一种计算机模拟技术，它的思想是将组成系统的微观粒子视为牛顿经典粒子，将所研究的系统视为经典多体系统，通过选择恰当的场函数来描述系统内微观粒子间相互作用的势函数及系统外加约束条件后，利用牛顿运动定律来求解微观粒子的牛顿运动方程。在MDS中，势能模型的选取是非常重

5、要的环节。模拟能否成功取决于能否正确地选择势能模型。对于简单分子，常采用硬球、软球、Lennard-Jones模型、Kihara模型等等。对复杂分子，可以采用多中心的位置－位置相互作用模型，但中心间的相互作用仍为简单模型，对带电分子或离子，还要引入库仑作用，常用的多体作用势有Stillinger-Weber(SW)作用势、Tersoff势等。自1966年起，由于分子力学的发展，人们又系统的建立了许多适用于生化分子体系、聚合物、金属及非金属材料的力场，使得计算复杂体系的结构与一些热力学、光谱性质的能力及精准

6、性大为提升。分子动力学模拟是应用这些力场及根据牛顿运动力学原理所发展的计算方法。此方法的优点为精准性高，同时可以获得系统的动态与热力学统计资料，并可广泛地适用于各种系统及各类特性的研究。与蒙地卡罗计算方法相比较，分子动力学模拟系统中粒子的运动有正确的物理依据，并且计算技巧经过许多修改，现已日趋成熟，由于其计算能力强，能满足各类问题的需求，许多使用方便的分子动力学模拟商业软件也已问世。2.2分子动力学模拟的基本步骤分子动力学模拟（MolecularDynamicsSimulation,MDS）的出发点是将组

7、成系统的微观粒子视为牛顿经典粒子，将所研究的系统视为经典多体系统，通过选择恰当的场函数来描述系统内微观粒子间相互作用的势函数及系统外加约束条件后，利用牛顿运动定律来求解微观粒子的牛顿运动方程，的到系统随时间演进的微观过程，最后基于统计力学计算得到系统的各种参数。分子动力学模拟一般由下面几个步骤组成：1.选取要研究的系统及其边界和系统内粒子间的作用势（力场函数）；2.设定系统中粒子的初始位置和动量初始化；3.建立模拟算法，计算粒子间作用力及各粒子的速度和位置，并求解Newton运动方程，得到下一时刻粒子的空

8、间位置和速度；4.当体系达到平衡后，依据相关的统计公式，获得各宏观参数和输运性质；2.2.1选择恰当系统与边界分子动力学模拟是在一定的系综下进行的，常见的系综有微正则系综、正则系综、等温等压系综和等温等焓系综等。在统计物理中，系综（Ensemble）代表一群类似的体系的集合。对一类相同性质的体系，其微观状态（比如每个粒子的位置和速度）仍然可以大不相同。实际上，对于一个宏观体系，所有可能的微观状态数是天文数字。统计物理的一个基本