分子动力学模拟计算水分子扩散系数

其宏观性质，属于微观尺度的模拟技术。
2、实验原理
（2）均方根位移：分子动力学计算系统中原子由起始位置不停移动， 每一瞬间位置皆不同。以 ri (t ) 表示时间t时粒子i的位置。粒子位移平方 的平均值称为均方根位移（Mean Square Displacement=MSD）：
2
MSD R (t ) r (t ) r (0)
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（8）计算扩散系数：
3.MSD曲线图中包含水分子在沿X、Y、Z轴方向以及总的四条均方根位移。取总的
MSD曲线（在图上右击-Delete Graph选中要删掉的曲线然后点击OK），拷贝到Exce
中，求其斜率，根据MSD与扩散系数的关系式算得水分子的扩散系数。
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计算材料学实验
分子动力学模拟计算水分子扩散系数
1、实验目的
（1）了解分子动力学方法的原理。
（2）熟练MS软件构建分子和体相的基本操作。 （3）掌握分子动力学模拟的基本步骤。 （4）掌握粒子扩散系数的计算方法。
2、实验原理
（ 1）分子动力学模拟（molecular dynamics simulation，简称MD）方 法首先是由Alder和Wainwright提出的，现已逐渐成为预测系统特性、 验证理论和改进模型的计算工具。
为：0.94030571、0.92030480、0.88955424）；构建盒子时，需将添加的结构双击打开后，
点中与其对应的文件名添加；构建时在setup力场设置中将non-bond的库伦和范德华设为 group based； 4. 构建完成后利用display style查看是否所有原子定义group,如个别原子忘记定义，则整个 盒子不能显示group。 5. 对盒子进行结构优化时，选择medium，步长为5000步； 6. 进行分子动力学模拟，分子动力学之前，打开优化后的构型，检查力场设置，
模拟步骤：
1. 构建水分子结构，优化结构，定义charge group
2. 构建缓蚀剂分子结构，优化结构，定义charge group，以主链C、N等原子及与其相连接 的氢原子作为单元进行构建（使每个group的电荷接近零）； 3. 构建含有30个缓蚀剂和100个水分子的缓蚀剂盒子（三个缓蚀剂随着碳链增长其密度分别
MD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，
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。也就是由体系的微观性质来求算
（3）计算水分子的扩散系数。
3.1回顾创建工程和构建分子的基本操作
（1）创建工程
（2）构建分子
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（1）构建水分子，命名：water。
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（2）构型优化：
点击discover模块中setup，在Energy中选择力场compass；在Typing
120
y=1.275x+0.515
100
<r >nm
80
2
60
40
20
0 0 20 40 60 80 100
t/ps
3.2 业
模拟H2O在缓蚀剂膜A、B中的扩散系数，判断三种缓蚀剂的缓蚀效率。
R: A缓蚀剂 扩散系数（100 水分子）
Bwater 2.13 A(7) 0.3828 B(19) 0.7647
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（5）优化水盒子：
点击discover模块中setup中将non-bond的vdw&Coulomb 设置为group based，在点击 discover中Minimizer，选择Smart Minimizer方法，精度选择Medium，点击Minimize， 完成优化，box.xsd文件即优化后的体系。
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（7）计算扩散系数：
1.定义set：选中所有水分子在工具栏中点击Edit-Edit Sets中New选项-OK。
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（8）计算扩散系数：
2.提出水分子的MSD曲线：点击discover模块中Analysis选择Dynamic-Mean squared displacement-点击define-Add to list再点击Analyze。得到MSD曲线如左图所示：
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（4）构建水盒子：
打开water.xsd文件，点击Amorphous-Construction(Legacy)中Add选项Number：300，密度设为1， 点击setup选择Use group based cutoffs，其它具体参数设置如下图，点击Construct弹出water AC Constr文件夹中water.xtd文件即纯水体系模型。将其名字修改为box.xtd
Vdw,Coulomb是否是group based。
7. 分析水分子的扩散系数时，需将100个水分子全部选中（按下alt键并双击其中一个水分子 的O原子，可选中所有水的氧原子，然后点击鼠标右键，选中Fragment,即可选中所有的 水分子），定义set，进行分子，得出100个水分子的平均扩散系数。
2
（3）粒子扩散系数：根据爱因斯坦扩散定律：
lim r (t ) r (0)
t
6 Dt
式中D为粒子的扩散系数，当时间很长时，均方根位移曲线的斜率就是 6D，因此可以通过分子动力学计算MSD曲线斜率得到粒子的扩散系数。
3、实验内容
（1）回顾创建工程和构建分子的基本操作； （2）构建水体系并进行分子动力学模拟；
中点击Calculate，对分子分配电荷和立场参数。点击discover模块中
Minimizer ， 选 择 Smart Minimizer 方 法 ， 精 度 选 择 Medium ， 点 击 Minimize，开始进行优化。
3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。
（3）定义Group：
选中优化后的整个水分子，点击Modify-Charges选择Charge Group，然后点击Define。
（6）分子动力学模拟:
打开上述优化过的模型，点击discover中 Dynamics系综选择NVT；温度定为289K； 模拟步长1fs模拟时间50ps，每隔1000针
记录一次数据。点击Run对体系进行分子
动力学模拟，弹出box Discover Dynamics 文件夹，其中box.xtd文件即体系模拟的 轨迹文件。