《分子动力学》ppt课件

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1、分子模拟及分子动力学简介什么是分子模拟什么是分子模拟分子模拟是在分子模型的基础上用计算机做实验，“计算机实验”通过模拟微观粒子的运动来计算宏观性质温度压力黏度传递性质表面张力．．．．分子间的作用模型牛顿力学量子力学统计力学等分子模拟的双重性质分子模拟具有理论和实验的双重性质分子模拟不能完全取代实验理论实验模拟理论的正确性模拟参数的正确性模拟方法的选择理论的更新分子模拟的大致分类与自然界相比的准确程度尺度（米）时间（秒）10-910-710-510-310-1510-910-610-31电子模拟（量化计算，D

2、FT）分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）颗粒方法流体力学量子力学模拟：abinitio原子结构薛定谔方程模拟电子云能量性质，化学键等信息量子化学计算一般处理几个到几十个原子常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等密度泛函（DFT）可以算到上百个原子常见软件：VASP分子级别的模拟分子水平的模拟以分子的运动为主要模拟对象采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用一般情况下不考虑电子转移效应，因而不能准确模拟化学成键作用发展最早1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子1950s，Me

3、tropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子分子级别的模拟应用的领域很广广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等领域简单易学蒙特卡洛方法蒙特卡洛是一种优化方法通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点随机方法通过系综平均来求取宏观性质模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）优点是可以跨越时间因素，缺点是得不到有关时间信息的性质分子动力学可以模拟平衡状态，也可以模拟中间状态可以获得有关时间的信息受时间的限制，无法模拟缓慢过程分子体系（几百~几亿）求解牛顿运动方程宏观性质CPMD:考虑量子

4、效应的分子动力学同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学）能同时准确模拟物理作用和化学键作用目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）颗粒方法（CoarseGrain）将分子基团（几个或者几十上百个原子）当成单个的微粒来处理微粒之间的作用也是通过类似于分子动力学的未能函数来描述可以模拟更长的时间跨度电子原子核原子量子级别模拟分子级别模拟CG级别模拟分子动力学简介势能模型分子动力学对势能函数的依赖性：所有从分子动力学计算出来得到的宏观性质最终都取决于势能模型分子动力学的核心：牛顿运动方程势

5、能（位能）模型：简单分子的势能模型rUr例：甲烷，某些惰性气体质点处理Ur方阱模型Ur阶梯模型复杂分子的势能模型键的振动键角扭矩分子内部各原子（基团）之间的范德华力、静电力一般要计算1-4（相隔超过两个键的原子或基团对）15432复杂分子的势能模型qqq分子之间的范德华力分子之间的静电力例子：丙烷CCCHHHHHHHH10根键长作用18个键角作用8个扭矩作用27个范德华力作用27个静电作用键长Morse类键长模型能量阱深参数键长平衡键长参数胡克类键长模型键长平衡键长参数键角胡克类键角模型键角平衡键角参数扭矩

6、扭矩障碍参数扭动360度所经过的能量最低点的次数范德华力Lennard-Jones模型Urεσ不同类别原子之间的作用混合规则ABAB通常都取1静电力一般情况下只考虑点电荷之间的作用力不考虑极化作用所带来的长程项的作用分子A的点电荷总数分子B的点电荷总数周期边界条件用有限的微观分子体系模拟实际宏观体系的必要手段3214342121计算周期边界条件下两个微粒之间的作用宏观体系微观体系静电力的长程校正主盒影子影子影子Ewald方法ParticleMeshEwald方法（PME)计算量很大多体作用BAC处理方法模型参

7、数的获得通过量子化学模拟回归得到点电荷范德华力键长、键角、扭矩力实验数据回归键长键角范德华力分子动力学程序的一般步骤初始化能量优化平衡数据产出避免局部分子重叠，并不是动力学模拟根据所有分子的当前坐标计算个分子的受力（位能函数）根据受力更新分子的坐标在此过程中收集用来计算宏观性质的有关信息读入模型参数，模拟控制参数初始能量优化方法去除某些可能存在的原子重叠去除某些严重扭曲的键长、键角、扭矩等方法最速下降法牛顿拉夫森方法其他一般优化几千到几万步积分方法Verlet法简单易行，但是有精度损失Leap-frog法，V

8、erlet法的变种速度Verlet法和Verlet法相比，可以同时获得位置、速度、加速度，而且没有精度损失Beeman算法，速度计算精度更高，但是计算量大预测-校正法算法选择精度和运算量的折衷步长体系原子体系刚性分子体系非刚性分子，刚性键非刚性分子涉及到的分子运动平动平动、转动平动、转动、扭矩平动、转动、扭矩、振动建议步长10fs5fs2fs½-1fs复合步长不同性质的作用力采取不同的步长最常见的方