分子动力学模拟知识点总结

分子动力学模拟：
对于原子核和电子组成的多体体系，求解运动方程（哈密顿，牛顿, 拉格朗日），用经典和量子化方法求解粒子的运动状态。

MC方法：系综（抽样）平均法分子动力学：时间平均
一优点:遇到的不利影响因素回避掉，从而达到实验研尢难以实现的控制条件。

核心算法：粒子的运动状态就必须把运动方程离散化，离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算S（Leap-frog）＞速度Veriet算法、GedT预估•校正法等。

缺点：元胞体积和形状不变，不含有自由电子，对金属体系计算不理想。

注意：一般而言，MD模拟时间足够长，初始条件不会影响计算结果，但是会加大构型平衡的计算时间。

二步骤：
1.选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。

2.设定区域的边界条件，选取粒子间相互作用势模型；要注意观察PBC边界条
件的使用，以及计算格子和建模的晶格子之间的关系。

体系是单胞沿不同方向重复叠合而组成。

但模拟时只保留基本单元，由平移对称矩阵计算得到其他原子的空间坐标。

最小近邻的截断半径。

3.设定系统所有粒子的初始位置和初始速度；
4.计算粒子间相互作用力和势能，以及各个粒子的位置和速度；最好与实际模
型相符，以减少达到平衡的时间。

势场参数调整，最小近邻的截断半径。

对势：LJ势（惰性气体，过渡金属，柔韧材料），Bom-lande势（离子晶体）, Morse势，Johnson势（金属）发展到三体势，缺点是导致Cauchy
关系, 即不能描述晶体的弹性性质。

多体势：80年代以后，EAM势等（晶体对势+核嵌入电子云嵌入能），多用于金属。

5・待体系达到平衡后，构型积分获得体系的宏观性质。

选取合适的系综，控制温度和压力的变化。

E = 庄叫卜F二(3W—叫)丽了
控温方法： 2 2
N是原子数，Nc是约束数,K B是Boltzmann常数，刃是原子i的速度.
这种方法的基本也想是：如果t时刻的温度是T(t),速度乘以阂子入后，
温度的变化为AT二(入2・l)T(t)・苴中，入=疔丽，T为所控制体系的温度.
C2) Berendsen M温樽方法：这种控温方法假设所模拟的体系号•个恒温惜连戦一起，则两者之间就可以通过热交换而使模拟体系达到恒温的目的，方法如卜，定义一个参数入：入=Z + AtU-TJg式中T衣征系统与恒温槽之间的热交换速率，At为MD的时间步K,那么通过％w=M°id校正即可保持体系的温度在T。

附近震动，而参数T (通常取为0. l~0. Ips)则可用于控制这个震动幅度。

(3) Nose-Hoover方法：这种方法是通过改变模拟体系的Hamiltonian来实现控温的，因而有更强的物理意义，其基本思想就是在Hamiltoiiian加入一个假想的项来代表一个恒温源，具体做法如下：H ="儿讨/2 + [/(r) + Q鬥2 + gKTlnS,式中，S和©分别是假想项的坐标和动最。

这样体系的微分方程就变为：vi=dn/dr, ai=-(dV/dr+ niiviQ/nii. d# = (2加府一
g/GT)/Q。

式中，g 为休系的门由度，Q 为
•个町调参量"衣征着假想项的质星，T为温麼。

(1)Berendsen方法：这种控斥方法的基本思路与基本控制方程均与他的控
温方法类似，如下：p= [l+At(P-P0)y/r]^3,式M叩是一个可调参数，厲为所控制的压力。

然后，在每一次的MD迭代屮，粒子唯标x, y, z肉用p相乘，得到新的能标，即町实现对压力P 的控制。

该方法的缺点是可能导致在很长的模拟时间步长内，保持看起伏。

(2)Paninello-Rahanun方法：这种方法是通过改变休系的Lagrangian来实现的，新的
Lagrangian定义如下：L = £加宀创/2-另口鬲注卩佃)+闪"片h/2 - pfl, 其中，/i二仙bQ是模拟单胞的基矢,G=lih，原子坐标斤为r,=hs, V为原子之间的相互作用势.£1为单•胞体积.Tr表示矩阵的迹，W是一个可调参最。

这种方法的有点是模拟单胞不仅大小可变，形状也可变。

三.流程图
四发展
1.开发通用性强，功能强的势能模型
2.多层次的研究：量子计算+分子模拟+介观模拟CPMD
3.体系分割：不同部分使用不同算法
分子动力学模拟分析工具:
1. 相空间变化（核心）径向分布函数
径向分布函数可以山卜式來定义：g（r） = ^nO-）/4irr2Ar,式屮・n（T）表示距离原点
JV
T到卄3之间的平均粒子数，V是模拟的体积a RDF表示的物理含义星：再空间位置r点周围的体税元中单位体积内发现另一个粒子的几率。

由此看出,RDF表征着结构的无廉化
程度。

2. 扩散系数：实验很难
MD模拟采用TINKER v5.0程序包，OPLS-AA^原子力场。

模拟体系包含300个分子。

分子间的作用坊采用Lem皈甘0证助，体系中的长程作用力采用Ewald加利的形式。

在模拟过程中均采用周期性边界条件、Beeman算法求解运动方程°温控方式！分别采丿I] Aiiderseu^OBerendsen」体系的截断半径为1 mu, 时间步长为
Ifs。

MD模拟在NVT系综进仏
通过模拟发现：从常温到高温，采用Berendsen控温方式得到的氨的口扩敕系数的模拟值与实验值吻合■的很妤。

丁淀，口『以采用分子动力学模拟来代替实验，获得爲温高压条件下实验难以测鼠的分子口扩散系数。

另一方而，氨的自扩散系数受温度的影响比受压力的影响更明显。

⑹
3. 分子结晶态，构象（二级结构）研究
4・能量，爛，皓变化
5・静电势的分布
RMSD
RMSDHT以用亍确运灵合物在模拟过稈屮的稳宦性,分于动力学模拟过桿屮，备个分子都处于动态的运动过
程,囚此格个系统处「不停的变化当中。

模
拟过和的初始阶段.各个原子Z阿的跖离汪
没有找到•个平術点,虫此整个系统将处J•
运劝比校剧烈的的状态，然拆随若模拟的进
行.原子何的相斤作用将达到平衡状态…人
此RMSD将姥近「•平缓「如幽每余曲线都
代表种蚩口或种环复合物的RMSD变化.此
外.如果
•个蛋Fl在结合配体过程中会发生剧烈的
结枸变化.其RMSD也介f订斤体现。

VMD有计算RMSD的I A IKES”
io» az ; ttc go ea i;oe> U4M ueco x occ
RMSF
RMSF 是il 寛单个訊展酸木模拟迅少门的运动变化。

f 进蚩口存幻•介風体的辻秤中介发 生很明显的给构变化.甚至于“开合■运动•通过RMSF 的计算.我们可以找到贺白质 上这些迄刘剧烈的抵幕假.VMD^计并RMSF 的I
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论文参考:北京匸业大学博上学位论文《馈白庚与配体柑耳惟用机理的分子棋拟研究 》第料章by 刘明
古林人7帽上学位论文《儿种重耍蛋白分了的分WJ 力7模拟研究》第四近by 徐⑺
LigPlus
LigPlus 是将蛋口质的立体结构变为平而 结构M 显示出配体与受体间行相4作用 的殘基的
软件°
论文参考：占林人学帕士学位论文《儿 种巫浚蛋白分f 的分了动力学模拟研究 》第二章by 徐杆
6.相变机制结晶，玻璃化转变 7・输运性质
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