计算材料学实验（燕友果）实验八：介观动力学模拟

实验八：介观动力学模拟
一、前言
1、介观模拟简介
由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系。

目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)、元胞动力学方法（CDS）、动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn）。

MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。

MS Mesocite的突出特点是采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。

同时，您还可以使用力场编辑工具对MS Mesocite的力场进行编辑，以获得满足特殊要求的力场，从而拓展了MS Mesocite 的应用范围。

Martin力场中包括四种主要的力场类型：极性（polar-P）、非极性（apolar-C）、无极性（nonpolar-N）、带电（charged-Q）。

每种力场类型又分为若干子类型，极性和非极性根据极性高低下分有五种类型（用下坐标1-5表示），无极性和带电的更具氢键结合能力分为四种类型（d-氢键供体，a氢键受体，da-两个都有，o-都没有），这样使得Martini力场能够更加精确的描述体系性质，应用于更多不同的有机分子体系。

二、实验目的
1、了解介观模拟方法及应用领域
2、了解Martini力场的
3、掌握mesocite模块的基本操作
三、实验内容
1、模拟油水混合溶液的分层构型，油选择癸烷作为油相代表
（1）构建癸烷分子并对其进行优化获得如下结构
（2）选择粗粒化珠子
点击粗粒度转化分子工具，弹出Coarse grain对话框，在对话框中选中Motion groups，点击more，选中分子中前面个碳原子作为一个粗粒化珠子，点击Motion groups对话框中的create，产生第一个类型的粗粒化珠子；同理，定义中间的两个碳原子作为第二个类型的粗粒化珠子。

关闭Motion groups对话框。

（2）分配珠子，获得粗粒化珠子结构
点击Coarse grain对话框中的bead typing中的create，获得Bead Typing.std 的珠子类型文件。

选择patterns，从下拉框中选中该珠子类型文件；点击Coarse grain对话框下面的built文件。

获得粗粒化之后的珠子结构。

（3）对珠子分配力场（MS Martini），两种珠子均属于C1类型，优化珠子构型，获得稳定结构
（4）构建水珠子
（5）构建32*32*32的盒子，在Filtter中键
入一个名字，如solvent，点击built，获得一
个空的立方体盒子。

（6）在对话框中点击Filtters，点击Add，键
入另外一个名字，如Water。

关闭对话框。

（7）点击，填充盒子，选中优化后的粗
粒化硅烷分子和水珠子，比例（Relative
amount）为1：1；点击Packing，将Length scale设为1，Density设为0.00836，点击built构建填充后的盒子。

（8）将构建后的后缀为.msd的盒子导出为xtd构建文件（如上面所属）。

（9）分配力场（MS Martini），水分子属于P4力场，优化分子构型
（10）进行分子动力学优化（10fs，500ps，500step）获得构型后，对其显示方式（display style）进行设置，扩展构型，观察油水分离现象。

（10）分别显示水珠子和两种类型碳珠子的密度分布。

W
C2
C1
四、实验结果
根据第三步所示要求，建立的油水共存时的粗粒度盒子如下图所示：
对体系进行分子动力学优化（10fs，500ps，500step）获得构型后，扩展构型，观察油水分离现象，如下图所示。

从图中可以看出在经过500ps分子动力学优化后，油和水已经完全分离开来，水相集
中在盒子中间区域，油相集中在盒子的Z方向两边。

计算结束后，利用所得轨迹文件，对油分子头（head）和尾（tail）以及水分子进行浓度分析，所得分析文件如图（a）（b）（c）所示。

图（a）油珠子头碳原子沿Z方向分布
图（b）油珠子尾碳原子沿Z方向分布
图（c）水珠子沿Z方向分布
将三条浓度分布曲线绘制到一个图中可得下图。

从图中可以看出，水珠子的浓度分布主要集中在中间区域，而油珠子上的C-head和C-tail 主要集中的两边，这与盒子跑完动力学后油水分离状态相符。

五、总结
本实验我们学习了MS中介观尺度模拟方法，主要使用Mesocite模块，其中所用到的力场是Martini力场，这种力场包括四种主要的力场类型：极性（polar-P）、非极性（apolar-C）、无极性（nonpolar-N）、带电（charged-Q），每种力场类型又分为
五种类型能够非常精确的描述体系性质，因此可以应用于更多不同的有机分子体系。

在这次实验中我们通过模拟油水混合相分离的性质，基本了解了MS Mesocite 模块的操作方法。

然而对于其中很多参数的选取仍不懂，以后如果做这方面的模拟的话还要进一步的学习。