分子模拟教程

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1、第三章分子模拟方法1.蒙特卡罗(MonteCarlo)方法基础2.分子动力学(MolecularDynamics)方法基础3.程序讲解本章具体讲解内容掌握分子模拟方法的必备知识：编程技能(FortranorC/C++)统计物理学（统计力学）：统计物理学基础；系综原理；非平衡统计力学基础；涨落理论分子热力学：分子间相互作用理论；分布函数理论气体分子运动论其它分子模拟的目的:为什么要进行分子模拟？将分子聚集体的性质与如下方面相联系：分子的微观相互作用分子聚集体的结构分子的动力学过程分子模拟对实验进行补充，

2、使我们能够：预测现有或新材料的性质在分子水平研究宏观现象获得实验无法或难以发现的东西什么是计算机分子模拟方法？分子模拟的定义：统计力学基本原理出发，将一定数量的分子输入计算机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。按照获得微观态的方法不同，分子模拟分为：蒙特卡罗方法(MonteCarlo,MC)分子动力学方法(MolecularDynamics,MD)(3)混合方法(hybridmethod，HM)计算机分子模拟的发展历史：1.蒙特卡罗方法（MC）1953Metropolis,Ulam,Rosenbl

3、uthandTell，LosAlamosNationalLabMonteCarlosimulationofhardsphere.2.分子动力学方法（MD）1957AlderandWainwrigth，LivermoreLabMoleculardynamicssimulationofhardspheres.微观与宏观分子模拟在微观尺度与实验室的宏观世界之间起着桥梁的作用：给定分子间的相互作用“准确”预测研究体系的性质MC与MD的区别：MC:构型平均，不包含动力学部分；利用概率行走产生微观态。MD:时间平均

4、，产生动力学性质；利用运动轨线随时间的变化来产生一系列微观态。计算机分子模拟的发展历史（续）：从上个世纪九十年代初期以来，计算机模拟技术得到了飞速发展，主要基于三个方面的发展：分子力场的发展（基石）（Amber，OPLS、Compass）原子间的键长、键角、分子间的内聚能等模拟算法（途径）计算机硬件（工具）HPCx计算机分子模拟的特点：原子水平的模拟计算机实验检验理论、筛选实验科学研究中的第三种方法分子模拟中涉及的几个基本概念：模拟计算盒子或模拟胞腔Simulationbox(cell)装有一定数目流体

5、分子的研究对象，它是我们要研究的宏观体系的缩微模型。立方形胞腔周期性边界条件(Periodicboundarycondition,PBC)在小体系中，边界效应总是很显著。在包含1000个原子的简单立方晶体中－488个原子处于边界上。在包含1000000个原子的简单立方晶体中－仍然有6%的原子在边界上。在模拟中，考虑具有真实边界的对象，不切合实际：增强了有限尺寸效应人为造成的边界会影响流体的性质当某个粒子运动出模拟盒子的某一边界时，另外一个影像粒子从另一对立边界进入到此盒子中。周期性边界条件(Period

6、icboundarycondition,PBC)本体体系的近似：中心盒子在X，Y和Z方向无限扩展；消除人为形成边界的表面效应；保证中心盒子中的粒子数恒定。只需要跟踪中心盒子中各粒子的运动。周期性边界条件的算法：yxLo采用数学函数：FLOOR(r/L):返回不超过r/L的最大整数FLOOR(4.8)hasthevalue4.FLOOR(-5.6)hasthevalue-6.xL/2o-L/2采用数学函数：r/L>0,ANINT(r/L)=AINT(r/L+0.5)r/L0,ANINT(r/L)=AIN

7、T(r/L-0.5)周期性边界条件的算法：y最小影像转化原理(Minimumimageconvention)定义：中心元胞中的一个粒子只与此元胞中的其它N－1个粒子，或它们的最近邻影像发生相互作用。适用条件：粒子间相互作用势能的截断距离必须不大于模拟中心元胞长度的一半。此两粒子与中心粒子的距离相等，但是：黑色球发生作用绿色球不发生作用此两粒子是与中心原子相互作用的最近邻影像最小影像转化原理的算法：采用数学函数：r/L>0,ANINT(r/L)=AINT(r/L+0.5)r/L0,ANINT(r/L)=

8、AINT(r/L-0.5)截断势能(TruncatingthePotential)本体体系采用周期性边界条件描述：不可能将所有粒子与它们影像粒子间的相互作用全都计算。必须在不大于中心盒子长度的一半处进行截断，以便与最小影像转化原理一致。粒子间的相互作用主要来自于截断范围内，而范围外的贡献很小，可忽略不计。截断范围内的相互作用截断势能函数的形式：简单截断势能函数(TruncatedPotential)：缺点：rc:截断距离或半径势能在截断处不