《分子动力学简介》word版

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1、【专业】计算物理【研究方向】分子动力学模拟【学术讲坛】1、分子动力学简介：分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。该技术不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。它是对理论计算和实验的有力补充。广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。经典MD模拟，其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子，模拟时间为纳秒量级。2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBMlueGene/L）。分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述，这种描叙可以牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述，也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一

2、起。在忽略核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下，分子动力学的这一种假设是可行的。所谓绝热近似也就是要求在分子动力学过程中的每一瞬间电子都处于原子结构的基态。要进行分子动力学模拟就必须知道原子间的相互作用势。在分子动力学模拟中，我们一般采用经验势来代替原子间的相互作用势，如Lennard-Jones势、Mores势、EAM原子嵌入势、F-S多体势。然而采用经验势必然丢失了局域电子结构之间存在的强相关作用信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质。详细介绍请见附件。2、分子模拟的三步法和大致分类三步法：第一步：建模。包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。

3、初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。第二步：过程。这里就是体现所谓分子动力学特点的地方。包括对运动方程的积分的有效算法。对实际的过程的模拟算法。关键是分清楚平衡和非平衡，静态和动态以及准静态情况。第三步：分析。这里是做学问的关键。你需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征，说明你的问题的实质和结果。因此关键是统计、平均、定义、计算。比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。有了这三步，你就可以做一个好的分子动力学专家了。推而广之，其实所谓的介观模拟，蒙特卡罗模拟、有限元模拟都是一个道理。大致分类：Ø量子化学计算Ø2.1电子模拟（量化计算，DFT

4、）常见软件：VASPØ可以算到上百个原子Ø密度泛函（DFT）Ø常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等Ø一般处理几个到几十个原子2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）Ø采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用Ø以分子的运动为主要模拟对象Ø分子水平的模拟Ø2.2.1分子级别的模拟Ø1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子Ø发展最早Ø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Ø分子级别的模拟应用的领域很广Ø1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子简单易学Ø广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机

5、械，治药等领域Ø通过系综平均来求取宏观性质Ø随机方法Ø通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点Ø蒙特卡洛是一种优化方法Ø2.2.2蒙特卡洛方法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Ø模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）Ø同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学）Ø2.3CPMD:考虑量子效应的分子动力学目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）Ø能同时准确模拟物理作用和化学键作用Ø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Ø2.4颗粒方法（CoarseGrain）可以模拟更长的时间跨度Ø微粒之间的作用也是通过类似于分子动力学

6、的未能函数来描述3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件3.1namdhttp://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/主要针对与生物和化学软材料体系优点程序设计水平高，计算效率高，号称可以有效并行到上千个处理器兼容多种输入和输出文件格式，有的分析辅助软件VMD有的维护服务不需安装免费缺点万一需要自己安装的话比较麻烦3.2AMBERhttp://amber.scripps.edu主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子优点有的内置势能模型自定义新模型和新分子很方便有很完善的维护网站缺点计算效率不高（收敛到16个处理器），运算速度慢$4003.3CHAR

7、MMhttp://www.charmm.org/主要针对生物体系，也包含部分化学体系优点势能模型更新很快自定义新模型比较方便维护服务缺点运算速度慢，计算效率低$6003.4TINKERhttp://dasher.wustl.edu/tinker/一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重优点支持多种模型免费缺点仍在开发中，某些方面还不完善3.5LAMMPShttp://www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html一般性分子模拟软件优点兼容当前大多数的势能模型编程