分子动力学简介.docx

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（IBM lueGene/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起。

2、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： 量子化学计算2.1 电子模拟（量化计算， DFT） 常见

4、软件：VASP 可以算到上百个原子 密度泛函（DFT ） 常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM 等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） 采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用 以分子的运动为主要模拟对象 分子水平的模拟2.2.1 分子级别的模拟 1950s，Alder ，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟 32 个原子 发展最早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 分子级别的模拟应用的领域很广1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟 32 个原子 简单易学广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等

5、领域 通过系综平均来求取宏观性质 随机方法 通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点 蒙特卡洛是一种优化方法2.2.2 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模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC 除外） 同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学）2.3 CPMD: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）能同时准确模拟物理作用和化学键作用 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2.4 颗粒方法（Coarse Grain） 可以模拟更长的时间跨度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

6、3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件 3.1 namdhttp:/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 3.2 AMBER http:/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$400 3.3 CHARMMhtt

7、p:/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 $6003.4 TINKER http:/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 3.5 LAMMPS http:/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水平高，计算效率高（比 NAMD 差，强于其他所有类似软件）可以模拟软材料和固体物理系统免费缺点维护差 3

8、.6 DL-POLY http:/www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/一般性分子模拟软件优点界面友好计算效率高（有两个版本供选择，适合于不同大小的体系）维护服务缺点兼容性不好 100 英镑 3.7 GROMACShttp:/www.gromacs.org/ 主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系优点算法好，计算效率高界面友好维护服务好免费软件缺点兼容性不好 3.8 Materials Explorer 多功能分子动力学软件立足于 Windows 平台的多功能分子动力学软件。拥有强大的分子动力学计算及Monte Carlo 软件包，是结合应用领域来研

9、究材料工程的有力工具。Materials Explorer 可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。Materials Explorer 软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER 等 63 个力场可供用户选择。Materials Explorer 软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。功能：创建模型： MD Cell Builder 创建非晶和有序体系 Add MD Cell 创建分层体系，如晶界和相界等 Molecule Generator 在吸附，CVD， spattering

10、 模拟中插入新的分子到 MD Cell 附加工具： Molecule Builder 提供所有类型的分子的创建 Crystal Builder 使用空间点群和不对称单元创建晶体结构，用于无机固体及分子晶体系统的研究 Polymer Module 模拟不定型聚合物 pdb bdl 支持输入 pdb 格式的文件各种灵活的模拟功能： NEV, NTV, NPH 和 NTP 全部使用 Parrinello-Rahman-Nose 方法 两种积分方法: Gear (predictor-corrector) 和 Hernandez (leap-frog) 使用 SHAKE 算法进行键约束计算 可以采用周期

11、边界条件 研究异相系统（气-固界面，固体颗粒边界等） 多种分子模型：potential，rigid body，bond constraint，united atom model 使用 Parrinello-Rahman 和 Nose 方法进行温度和压力控制分子动力学模拟 初始驰豫阻止在液体和非晶模拟中的爆炸 外场：静电场，磁场，重力场，包括球和弹性能力校正 电荷确定工具确定分子的原子电荷 轻松建立随机多组分液相或气相系统； 轻松进行分子模拟，从而研究晶体或外延生长，表面吸附和表面破坏； 利用复制，剪切和粘贴功能建立带有缺陷和杂质的模块系统分析： Monitoring Module 显示温度，压

12、力，内能以及其它热力学性质与时间的 2D 曲线图 3D Atomic Configuration Module 显示系统的快照，轨迹和动画 MSD Module 从输出数据计算均方位移（MSD） 。显示 MSD 的 2D 图像，以及每个分子的自扩散系数。 PCF Module 计算配对相关性函数和自由基分布函数，并描绘出相应的二维图 Interference Function Module 根据一对相关函数计算 X-ray 和中子衍射。 Voronoi Module 计算 Voronoi 多面体的数目和这个多面体的面数。利用 Voronoi 分析对无定形固态进行表征 Internal Coor

13、dinate Module 计算键长，键角，二面角，或指定分子类型的里面角，在分布图中显示分布状态。 Velocity Auto-Correlation Function & Spectrum Module 计算自相关函数和基于 Wiener-Khintchin方法的谱 Modulus of Elasticity Module 计算弹性系数 4、国内部分著名分子动力学课题组简介4.1 蒋华良 上海药物所男，研究员，博士生导师。现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任。 蒋华良研究员 1987 年毕业于南京大学化学系，获得学士学位； 1992 年毕业于华东师

14、范大学化学系，获得理学硕士学位； 1995 年毕业于中国科学院上海药物研究所，师从嵇汝运院士和陈凯先院士，获得理学博士学位。随后留在药物所工作，历任副研究员、研究员、博士生导师、药物发现与设计中心主任、所学术委员会副主任、副所长等职。他是国家杰出青年基金获得者，科技部 973 计划首席科学家，科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员，科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究 ”专家组成员，国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员 4.2 刘海燕 科大男，教授，博士生导师。 1969 年出生于四川。1996 年毕业于中国科学技术大学生物

15、系，获博士学位。曾于 1993-1995 年作为联合培养研究生在瑞士苏黎世高等理工学院物理化学实验室学习，1998-2000 年在杜克大学和北卡罗来纳大学作博士后研究。现为我校生命科学学院教授、博士生导师。在J. Am. Chem. Soc.、J. Mol. Biol.、J. Chem. Phys.等杂志发表研究论文三十余篇。2000 年入选中国科学院“ 引进国外杰出人才”项目。2001 年获“国家杰出青年基金”资助。 4.3 王恩哥 物理所男，1957 年生，现任中国科学院物理研究所所长，研究员，博士生导师。同时任香港大学 Honorary 教授，以及国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）专

16、业委员会委员，中国物理学会秘书长，中国物理学会凝聚态理论与统计物理专业委员会常委，Materials Science Foundation 、 Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 、 物理学报 、 化学物理学报等杂志的编委。4.4 高世武 物理所男，1963 年 7 月生于湖北。1984年毕业于南京大学物理系，1990 年获中科院物理研究所博士学位。后主要在瑞典 Chalmers 理工大学和哥得堡大学物理系工作，现任该系教授。2004 年入选中科院“百人计划”，任研究员，2005 年任 SF5 课题组组长，2006 年起担任

17、表面物理国家重点实验室主任。主要研究方向： 1. 凝聚态理论和表面物理 研究表面和纳米材料的电子激发态结构，光学特性，光激发和电子激发的动力学过程，热电子的输运和驰豫，电子和声子间的能量转换和耗散，激光和隧道电子引起的原子和分子动力学过程。 2.计算生物物理 结合理论模型分析，分子动力学模拟，和并行计算方法，模拟计算生物分子系统，如细胞膜和离子通道结构，离子与水的相互作用和输运动力学性质，及其它们对其生物特性影响。 过去的主要工作及获得的成果：高世武研究员长期从事表面，界面和材料的基础理论和计算研究。在表面动力学、量子耗散理论、电子结构计算，以及并行计算方法等领域进行了系统深入的研究，取得了多项国际领先的研究成果。他提出的隧道电子多重散射热振动机制首次解释了单