计算材料学实验（燕友果）实验五：分子与表面的对接优化及分子动力学模拟

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1、《计算材料学》实验讲义实验二：分子与表面的对接、优化及分子动力学模拟一、丽吞1.分子力学优化分子力学方法乂称力场方法，其基于非常简单的经典力学模型，忽略了电子运动，把体系能量看作是原子核坐标的函数，其贡献来自诸如键伸缩、单键键角的张合以及旋传等等。该方法从本质上说是能量最小值方法，即在原子间相互作用势的作用下，通过改变粒子分布的几何位型，以能量最小为判据，从而获得体系的最佳结构。因此，确定分子间的相互作用势是进行分子力学优化的关键，在分子力学中用力场来描述分子中各原子间的相互作用。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

2、数、常数和表达式通常称为力场。一般力场的表达式为加+已⑺拓”“古E#dw+Eebc+(2-6)式中，耳讪为键的伸缩能，坊讹为键的弯曲能，二者均采用谐振子模型；沏为键的扭曲势，它采用傅立叶级数形式来描述；Eg&衣为非键作用项，分别表示范德华相互作用和静电相互作用。分子模拟所使用的力场，从最初的单原子体系扩展到多原子分子、聚合物、生化分子体系。力场也从简单的非键相互作用，扩展到复杂的形式。每个力场针对特殊目的有所侧重，各有优缺点和使用范围。在模拟中计算中选择合适的力场尤为重要，也是决定计算结果成败的关键。对于全原子模拟而言，人们越来越重视力场的发展

3、，概括的讲，可以把力场的发展趋势归结为三点：第一是朝着通用的方式发展，儿乎覆盖所有的原子类型；第二是重点强调和提高特定应用范圉内的性质预测；第三是在适当的研究范围内追求结果的精确性，预测的性质包括分子结构、构型性质、振动频率、生成热等。目前常见的力场主要包括AMBER（针对蛋白质、核酸等生化分子）、OPLS（针对多肽核酸和有机溶剂的液体体系）、CHARMM（针对有机分子、溶液、聚合物、蛋白质等）、Tripos（有机小分子及生物大分子）、YETI（含金属的生物小分子）、Universal（主族元素化合物，有机分子，金屈配合物）、Dreiding（

4、主族元素小分子）、GROMOS（生物大分子）、UFF（一般分子）、CVFF（一般分子）、CFF（有机小分子）和COMPASS（有机和无机分子）。2.COMPASS力场COMPASS（Condensed-phaseOptimizedMolecularPotentialsforAtomisticSimulationStudies）是第一个能够在很大范围内，准确模拟和预测单个分子或者凝聚态物质的结构、构彖、振动频率、热力学性质的从头算力场，之所以称之为从头算力场，是因为这个力场中多数参数都是通过量子力学计算得到的。COMPASS力场可研究的对象包括最

5、基本的有机、无机小分子、聚合物等，还可以模拟计算由金属离子、金属、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：E网=为伙2。一％）2+心9一％）3+紡9一％）4]+工伙2（&-％）2+心（0-％）3+人（0-&0）“]b&+工伙I（1一cos0）+公2（1-cos20）+£3（1-cos30）]+为k2x~+工

6、k（b-b（）（H-b：J+工k（b-/?（））（&-&（））0xb.h'b.e+工（b_b°）[k{cos0+Qcos20+kycos30]+工（&一％）凶cos0+込cos20+k3cos30]+工&（&-&（））（&'-&；）+工£（&-&（））（&'-&；）COS0b.ee.e^对于非键形式，包括描述经典相互作用的库仑项和范徳华相互作用的Lennard-Jones势，经典相互作用表示为：Eele=Y^；范德华相互作用表示为：耳侧二工E/2（殳）9-3（殳几山r（irijG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

7、作用势进行了更加准确的描述。自1998年力场产牛以来，己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本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参数、结构和输运特性等。MD方法的基本原理是：在各态历经假设（ErgodicHypoth

8、esis）下，任何力学量的系综平均等效于该力学量对时间的平均，而力学量时间的平均可以从经典运动方程所决定的运动轨迹得到。具体地说，对一个由N个原子构成