分子动力学的模拟过程

分子动力学的模拟过程

分子动力学模拟作为一种应用广泛的模拟计算方法有其自身特定的模拟步骤,程序流程也相对固定。本节主要就分子动力学的模拟步骤和计算程序流程做一些简单介绍。

1. 分子动力学模拟步驟

分子动力学模拟是一种在微观尺度上进行的数值模拟方法。这种方法既可以得到一些使用传统方法,热力学分析法等无法获得的微观信息,又能够将实际实验研究中遇到的不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。

分子动力学模拟的步骤为:

(1)选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。

(2)设定模拟区域的边界条件,选取粒子间作用势模型。

(3)设定系统所有粒子的初始位置和初始速度。

(4)计算粒子间的相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度。

(5)待体系达到平衡,统计获得体系的宏观特性。

分子动力学模拟的主要对象就是将实际物理模型抽象后的物理系统模型。因此,物理建模也是分子动力学模拟的一个重要的环节。而对于分子动力学模拟,主要还是势函数的选取,势函数是分子动力学模拟计算的核心。这是因为分子动力学模拟主要是计算分子间作用力,计算粒子的势能、位置及速度都离不开势函数的作用。系统中粒子初始位置的设定最好与实际模拟模型相符,这样可以使系统尽快达到平衡。另外,粒子的初始速度也最好与实际系统中分子的速度相当,这样可以减少计算机的模拟时间。

要想求解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、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。这些算法有其各自的优势,选取时可按照计算要求选择最合适的算法。

统计系统各物理量时,便又涉及到系统是选取了什么系综。只有知道了模拟系统采用的系综才能釆用相对应的统计方法更加准确,有效地进行统计计算,减少信息损失。

2. 分子动力学模拟程序流程

具体到分子动力学模拟程序的具体流程,主要包括:

(1)设定和模拟相关的参数。

(2)模拟体系初始化。

(3)计算粒子间的作用力。

(4)求解运动方程。

(5)循环计算,待稳定后输出结果。

分子动力学模拟程序流程图如2.3所示。

图2.3分子动力学模拟程序的流程图

4. 分子动力学的发展趋势

分子动力学的发展同其他新事物的发展一样,都遵循着从简单到复杂,从全面到专业的发展历程。从开始只有几个分子动力学的开创者到现在各个行业的研究者都想应用分子动力学模拟来促进自身行业的发展,分子动力学经历了巨大的发展。

研究者们致力于如何幵发出通用性强,具有强大功能的分子模拟软件,并且将其应用于科学研宄甚至是商业发展。他们不断研究,认真分析,力求改进分子模拟算法,并且开发出更加准确的能够表示各种系统的势能模型。

另外在分子动力学模拟运算速度上,科学家们也做了许多努力。众所周知,分子动力学模拟计算要受到计算机性能的限制。因此,研宄者们将并行计算引入到了分子模拟计算中,克服了单机运算的弱点,大大提高了运算速度。例如将网络技术与并行计算平台结合形成的一种微机并行机群。它可以用普通的PC机构建并行平台,兼容性和可扩充性都非常的好,在国内外都得到了广泛的应用。微机并行机群的使用,使得在成本较低的情况下,计算速度得到提高。但是,并行计算需要另外编写设计程序,其难度比编写串行程序大很多,因此在编写并行程序上仍有很长的路要走。

近些年来,越来越多的人发现光用单一的模拟方法在处理多尺度问题有很大的局限性。因此,要想透彻的研宄某个对象,就得从量化、分子动力学和介观模拟多个尺度上进行研究,特别是将这些方法结合起来使用。例如CPMD[47]模拟方法就是将量化计算与分子动力学模拟方法相结合一种典型的跨尺度方法。另外,对于同一个研究对象也可以在其不同部分使用不同尺度的方法进行计算,这也是多尺度结合计算研究的一种重要思路。