计算材料学实验（燕友果）试验二分子与表面的对接、优化及分子动力学模拟

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1、试验二分子与表面的对接、优化及分子动力学模拟一、前吕1.分子力学优化分子力学方法又称力场方法。所谓力场是指描述各种形式的相互作用对分子能量影响的函数，其有关参数、常数和表达式通常称为力场。一般力场的表达式为E=Estretc^%d+臨伽+%十Eelec+……<2-6）式屮，E州讪为键的伸缩能，冷幼/为键的弯曲能，二者均采用谐振子模型；£处沏为键的扭曲势，它采用傅立叶级数形式来描述；Eg&他为非键作用项，分别表示范徳华相互作用和静电相互作用。2.COMPASS力场COMPASS（Condensed-phaseOptimizedMolecularP

2、otentialsforAtomisticSimulationStudies）力场可研究的对象包括最基本的有机、无机小分子、聚合物等，述可以模拟计算由金屈离子、金屈、金属氧化物等形成的新型材料虽然不同的体系需要采用不同的模型，但COMPASS力场的参数是不变的，理论上讲。可以研究包括不同界面和材料的复杂体系。对于所有的无机和有机共价分子（包括聚合物），COMPASS力场中的总是能写作成键形式、非成键形式能量的总和。对于成键形式，势能表达式如下：耳严工伙0-％）2+心9一％）3+人9一九）4]+工血（&一&（））2+心（&一&）+紡（&一&（））

3、4]be+

4、（1-cos（/））+k2（1-cos2（/））+Z:3（1-cos3^）]+k2^2+》k（b-b（））（Z/-滋）+工£（b—b（））（0-&（））0xWb.O+》（b-b（））比cos0+心cos20+k5cos30]+》（&一&（））伙〕cos（/）+k2cos20+k3cos30]+工狀&一&0）（&'-久）+2>（0—%）0—0；）cos0b、80•&妙对于非键形式，包括描述经典相互作用的库仑项和范德华相互作用的Lennard-Jones势，经典相互作用表示为：Eele=Y^;范德华相互作用表示为：E侧二工E/2（吃）9

5、—3（兮。/»与ru%与其它力场相比，COMPASS力场采用了更复杂的一套函数形式对相互作用势进行了更加准确的描述。自1998年力场产生以来，已经验证和预测了大量的科学实验数据和材料的结构性质。该力场的摘要编写者为中国学者孙准教授。3•分子动力学模拟分子动力学模拟方法的基木思想是把物质看成由原子和分子组成的粒子系统（many-bodysystems）,从该体系的某一假定的位能模型出发，并假定体系粒子的运动遵循经典力学或量子力学描述的规律，若已知粒子的所有受力作用，则可以求解出运动方程而得到系统中全体粒子在相空间中的轨道，然后统计得到系统的热力学

6、参数、结构和输运特性等。二、实验目的（1）理解分子力学方法及分子动力学方法的原理。（2）掌握分子与固体表面对接的方法。（3）掌握分子与固体表面体系优化及分子动力学模拟的基木步骤。三、实验内容1.将苯并三氮畔分子对接到Cu（100）面上，对该结构进行分子力学优化及分子动力学模拟。利用MS建模工具建立BTA分子，优化后的BTA如下图所示：导入铜结构，根据要求建立如下图所示三维周期铜结构，真空层的厚度为30埃。要求铜表面的尺寸均大于2倍的cutoff值，避免结构中的原子与该原子的镜像原子或者周期重复的原子发生作用（下同）。将优化后的BTA分子复制到铜

7、表面中间位置。优化前的结构如下图所示：(a)侧视图(b)俯视图对上述结构进行结构优化。优化收敛后的结构如下图所示：(分子铺展在铜表面，能量最低构型)X丄,(a)侧视图(b)俯视图计算优化收敛后的结构的单点能，求出BTA与铜表面的相互作用能。首先计算BTA+Cu的总能量,后分别计算它们的分能量，用总的能量减去各自的能量就是BTA与Cu表面的相互作用能(吸附能)。表一BTA在铜表面的吸附能EtotalEsurface^molecularEinteractionEnergy(kcal/mol)-14103.523423-14119.30759943■

8、484740-27.7005642.1利用MS建模工具建立半胖氨酸，优化后的半胱氨酸如下图所示:建立铁表面的三维周期结构，并添加真空层30埃。将半胖氨酸分子添加到铁表面中间位置。优化前的构型如下图所示：(a)侧视图(b)俯视图利用Discover屮的Minimizer工具对上述构型进行5000步优化处理。优化收敛后的构型如下图所示：(分子铺展在铁表面，能量最低构型)(a)侧视图(b)俯视图计算优化收敛后的结构的单点能，求出半胖氨酸与铁表面的相互作用能。首先计算分子+Fe的总能量,后分别计算它们的分能量，用总的能量减去各自的能量就是分子与Fe表面

9、的相互作用能(吸附能)。表二半胱氨酸在Fe(100)表面的吸附能Estal^surface^molecularEjnteractionEnergy(k