分子动力学的模拟过程
分子动力学模拟实验报告doc
分子动力学模拟实验报告篇一：分子动力学实验报告 md2分子动力学实验报告（ XX 至 XX 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：一、实验目的计算空位形成能和间隙原子形成能。
探究形成的空位和间隙原子所在的位置不同其形成能的变化。
以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形成能的变化。
二、实验原理点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物理和化学性质影响很大。
根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名如下：（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。
（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)置。
（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。
一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形成的热缺陷。
在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦克斯韦分布规律。
热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是在原来的平衡格点位置上留下空位。
根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。
点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观察。
而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶体性质的影响。
例如，通过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作用等方面展开间接的研究。
分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。
若我们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd口2_point（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。
gromacs分子动力学模拟方法
gromacs分子动力学模拟方法GROMACS分子动力学模拟方法介绍GROMACS（Groningen Machine for Chemical Simulations）是一种常用的分子动力学模拟软件，广泛用于生物物理、化学和材料科学领域。
它提供了一系列的模拟方法，使得研究者能够模拟和研究各种复杂的分子系统。
本文将详细介绍GROMACS中常用的几种分子动力学模拟方法。
1. 分子动力学模拟基础分子系统的建立•定义模拟系统的几何形状和尺寸•添加分子和溶剂等组分•定义边界条件和周期性边界条件动力学模拟参数设置•设定模拟时间步长•设定温度和压力控制方式•设定能量最小化算法•设置初始速度分布2. 分子动力学模拟方法经典力场模拟经典力场模拟是GROMACS最常用的模拟方法之一，它模拟分子系统的力学行为和物理化学性质。
常见的经典力场包括Amber、CHARMM、OPLS等。
约束模拟在约束模拟中，GROMACS可以通过限制某些化学键或原子的位置，来控制分子系统的结构。
常用的约束模拟方法有LINCS和SHAKE。
自由能计算GROMACS还提供了计算自由能的方法，包括计算溶剂化自由能、构象自由能等。
这些方法可以用于研究分子间相互作用和配体结合等过程。
并行计算GROMACS支持并行计算，可以通过将模拟任务分配给多个处理器或计算节点，加快模拟速度。
这对于模拟大型分子系统和长时间尺度的过程非常有用。
结论本文介绍了GROMACS分子动力学模拟软件中常用的几种模拟方法，包括经典力场模拟、约束模拟、自由能计算和并行计算。
这些方法使得研究者能够模拟和研究各种复杂的分子系统，并深入探究其物理化学性质和相互作用。
通过学习和应用这些方法，我们可以进一步推动科学研究的发展和进步。
希望本文对GROMACS分子动力学模拟方法的了解和应用有所帮助，为科研工作者提供一些指导和参考。
3. 高级模拟技术除了上述常用的分子动力学模拟方法外，GROMACS还提供了一些高级模拟技术，用于研究更复杂的分子系统和物理过程。
分子动力学基本知识
分子动力学基本知识分子动力学模拟基本步骤起始构型：进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算。
分子动力学在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。
另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。
平衡相：由上一步确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。
生产相：在这个过程中，体系总能量不变，但分子内部势能和动能不断相互转化，从而体系的温度也不断变化请大家注意：温度是体系中分子动能的宏观体现关于势能函数：在计算宏观体积和微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势，计算系统能量，熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型，对于金属计算，主要采用morse势，但是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系，与实验不符，因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型，或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。
但是相对于二体势模型，多体势往往缺乏明确的表达式，参量很多，模拟收敛速度很慢，给应用带来很大的困难，因此在一般应用中，通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J，morse等势模型的应用仍然非常广泛。
时间步长：就是抽样的间隔，因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。
太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。
但是通常情况下，体系各自由度中运动周期最短的是各个化学键的振动.分子动力学模拟应用很广泛，也正应为如此我们在使用的时候需要根据自己的特殊状况，对模拟中的很多状况加以选取与约束。
高分子材料的分子动力学模拟
高分子材料的分子动力学模拟高分子材料是一种非常重要的工程材料，应用广泛，如塑料、橡胶、光学材料、涂料等。
在材料研究领域，高分子材料的表征和模拟一直是一个重要的研究方向。
其中，分子动力学（MD）模拟技术是一种非常有效的模拟方法，在高分子物理和材料科学中得到了广泛应用。
1. 高分子材料的分子动力学模拟分子动力学模拟是一种计算机模拟方法，通过计算每个粒子的位置和速度随时间变化的过程，模拟材料在各个时间点的物理状态。
其基本原理是利用牛顿定律以及哈密顿原理对材料中各个粒子的动力学行为进行定量计算。
在高分子材料的分子动力学模拟中，需要考虑分子链之间的相互作用以及分子内部原子之间的相互作用等因素。
2. 分子动力学模拟的优势分子动力学模拟具有非常明显的优势。
首先，分子动力学模拟可以获得高分子材料在原子或分子水平上的信息，并且可以预测高分子材料在不同温度、压力、形态等条件下的物理和化学性质。
其次，分子动力学模拟可以为高分子材料的结构设计、加工工艺以及应用性能的评价提供基础理论支撑。
最后，分子动力学模拟的结果大大减少了实验测量所需的时间和成本，为材料研究提供了一种高效的方法。
3. 分子动力学模拟在高分子材料研究中的应用分子动力学模拟在高分子材料研究中的应用非常广泛。
在聚合物中，分子链的空间构型是一个非常重要的因素，可以通过分子动力学模拟预测。
此外，分子动力学模拟还可以预测聚合物的力学性质、热力学性质以及传输性质等。
对于高分子材料的加工工艺，分子动力学模拟也扮演了重要角色。
如在挤出成型中可以模拟出高分子物料在加工过程中的改变和成型后形态的分布。
4. 分子动力学模拟的前景随着分子动力学模拟技术的不断发展和完善，其在高分子材料研究中的应用也会越来越广泛。
这不仅有助于减少实验成本和时间，也将极大地推动材料研究向更深入的方向发展。
如今的分子动力学模拟不仅限于高分子在一定温度、压力下的模拟，还可以考虑其在水、溶剂中的行为，模拟出更加真实的情况。
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。
分子动力学模拟的原理和应用
分子动力学模拟的原理和应用1. 简介分子动力学 (Molecular Dynamics, MD) 是一种计算模拟的方法，用于研究原子或分子在不同条件下的行为和性质。
它通过求解牛顿运动方程来模拟相互作用的粒子的运动轨迹。
这种方法在材料科学、生物物理学、化学以及生物化学等领域有着广泛的应用。
2. 原理2.1 动力学方程分子动力学模拟的基本原理是根据牛顿第二定律建立运动方程。
对于一个包含N个粒子的系统，其位形和动量分别由粒子的坐标和动量矢量来表示。
系统的总能量可以通过粒子的动量和势能之和来计算。
2.2 势能函数在分子动力学模拟中，粒子之间的相互作用通常用势能函数来刻画。
常见的势能函数包括分子力场模型、量子力场模型和经验势能等。
这些势能函数可以根据实际问题进行选择和优化。
2.3 积分算法为了求解牛顿运动方程，需要使用数值积分算法。
常用的算法有Verlet算法、Leapfrog算法和Runge-Kutta算法等。
这些算法用于计算粒子的坐标和动量的更新。
2.4 边界条件在分子动力学模拟中，为了模拟无限大的系统，需要对边界条件进行规定。
常见的边界条件有周期性边界条件和镜像边界条件等。
这些边界条件可以在模拟过程中保持系统的稳定性和平衡性。
3. 应用3.1 材料科学分子动力学模拟可以用来研究材料的物理性质和相变行为。
例如，可以模拟固体的力学性质和热传导性质，以及液体的粘度和扩散性质。
3.2 生物物理学在生物物理学研究中，分子动力学模拟可以用来研究生物分子的结构和功能。
它可以模拟蛋白质的折叠过程、酶的催化机制、膜蛋白的通道特性等。
3.3 化学在化学研究中，分子动力学模拟可以用来研究化学反应的动力学和热力学性质。
它可以模拟分子间的反应、化学平衡、溶解性等。
3.4 生物化学生物化学研究中，分子动力学模拟可以应用于药物设计和药效评价。
它可以模拟药物与靶标蛋白的相互作用，预测药物的活性和选择性。
3.5 其他领域除了上述领域，分子动力学模拟还可以在材料设计、能源储存、环境科学等多个领域中应用。
动力学模拟的主要步骤
动力学模拟的主要步骤那动力学模拟呢，一开始得确定模拟的系统。
这就像是你要搭建一个小世界，你得先想好这个世界里都有啥呀。
比如说，是一堆原子呢，还是一些分子，得把这些参与的“小成员”都确定好。
这一步可不能马虎哦，要是少了哪个关键的“小成员”，那后面模拟出来的结果可能就会差之千里啦。
接着呢，要给这个系统设定初始条件。
这就好比给这个小世界一个初始的状态。
比如这些原子或者分子的初始位置、初始速度啥的。
你想啊，如果一开始就乱套了，那这个小世界的发展肯定也不正常呀。
就像玩游戏，开局的布局和状态要是不对，后面可就难搞喽。
然后呢，就是选择合适的力场啦。
力场就像是这个小世界里的规则制定者。
它决定了这些原子或者分子之间是怎么相互作用的。
不同的力场适用于不同的系统哦。
选错了力场，就像是在足球比赛里用了篮球的规则，那整个游戏就乱套啦。
再之后就是进行模拟计算啦。
这个时候计算机就开始忙乎起来啦，根据前面设定的那些条件和规则，开始计算这个系统随着时间的推移会发生什么样的变化。
这就像是看着这个小世界慢慢发展，看原子们怎么跑来跑去，分子们怎么相互碰撞、结合或者分开。
这个过程可能会有点漫长呢，就像等一朵花开一样，要有耐心。
最后呀，得对模拟的结果进行分析。
这就像是看完一场电影后，要总结一下电影讲了啥一样。
看看模拟出来的数据是不是符合我们的预期，有没有发现什么新的有趣的现象。
要是结果不太对，那可能就得回头看看前面的步骤是不是哪里出了岔子。
动力学模拟虽然有点复杂，但就像一场有趣的探索之旅呢。
每一步都很重要，就像拼图一样，少了一块都拼不出完整的画面。
宝子，这么一讲是不是感觉也没那么神秘啦？。
gromacs分子动力学模拟方法
Gromacs分子动力学模拟方法1. 引言Gromacs（Groningen Machine for Chemical Simulations）是一种常用的分子动力学模拟软件，广泛应用于生物物理、化学和材料科学领域。
分子动力学模拟是一种计算实验方法，通过模拟分子的运动来研究物质的性质和行为。
本文将介绍Gromacs分子动力学模拟方法的基本原理、应用场景以及实现步骤。
2. 基本原理Gromacs分子动力学模拟方法基于牛顿第二定律和经典力场原理，通过数值积分求解分子的运动方程。
它将分子系统看作一组粒子（原子或分子），根据粒子之间的相互作用力，计算粒子的加速度和速度，从而推导出粒子在下一个时间步长的位置。
这个过程通过以下几个步骤实现：2.1 力场参数化力场是描述分子相互作用的数学模型，包括键长、键角、二面角等参数。
在Gromacs中，常用的力场有GROMOS、AMBER和CHARMM等。
在进行分子动力学模拟之前，需要根据所研究的分子的化学结构和性质，选择合适的力场，并通过参数化过程确定力场的参数。
2.2 初始构型生成在进行分子动力学模拟之前，需要生成分子的初始构型。
常见的方法包括从实验数据或计算结果中获取分子的结构信息，或者通过分子建模软件生成分子的三维结构。
Gromacs支持多种文件格式，如PDB和GRO，用于存储分子的结构信息。
2.3 系统能量最小化在模拟开始之前，需要对系统进行能量最小化，以消除构型中的不合理接触或过度重叠。
Gromacs提供了多种能量最小化算法，如共轭梯度法和牛顿法。
在能量最小化过程中，系统中的粒子会根据力场的作用力逐渐移动，直到达到一个局部能量最小值。
2.4 模拟参数设置在进行分子动力学模拟之前，需要设置模拟的时间步长、模拟时间和模拟温度等参数。
时间步长决定了模拟的时间分辨率，一般选择在飞秒量级；模拟时间决定了模拟的总时长，需要根据研究目的和计算资源来确定；模拟温度可以通过控制系统与外界的热交换来模拟不同温度下的系统行为。
第六章 分子动力学模拟 Molecular Dynamics
第六章 分子动力学模拟 Molecular Dynamics –MD 6.1引言分子动力学模拟方法是在牛顿力学的理论框架下，根据体系内分子之间的相互作用势，获得每个原子随时间运动的轨迹，通过系综平均，可以得到感兴趣的与结构和动力学性质有关的物理量，如：平均原子坐标，平均能量、平均温度及原子运动的自相关函数等。
这些物理量是通过对每个原子的运动轨迹，即微观量求平均而得到的宏观量，因此可以与实验观测量进行比较。
用计算机模拟方法在向空间采样方法有两种： （1） 随机采样 MC （2） 确定性方法MD以上讲过的MC （Monte Carlo ）采样方法就是随机方法，与随机方法不同，确定性方法是按照动力学规律使系统在相空间运动。
分子动力学模型就是一种确定性方法。
它的基本出发点是从一个完全确定的物理模型出发，通过解牛顿运动方程而得到原子运动的轨迹。
我们感兴趣的可测量的客观物理量可以通过相空间的采样求系综平均而得到。
在多态历经假设成立的情况下，系综平均与长时间平均是相同的。
⎰∞→∞==τττ01))(),((limdt t p t q A A A系综其中q,p 为t 的函数。
A 表示系综平均，∞A 表示无穷长时间平均。
因模拟时间总是有限的。
对耦分子体系，当模拟时间大于分子的弛豫时间时，有限观测时间可以变成为无穷长的。
当弛豫模拟〉τt ，模拟t 可认为∞，因物理上的∞是不可能的。
6.2基本原理 1.动力学方程基本动力学方程包括在经典力学（CM ）框架下的牛顿方程和在量子动力学（QM ）框架下的薛定谔方程。
在常温下，经典的牛顿方程对研究生物分子体系的结构和动力学性质已经足够了，因为这时体系的量子效应并不十分重要。
但是，对研究包含隧道效应的反应时间问题时，量子效应十分明显，这时就必须用QM 方程来模拟体系的量子动力学性质。
QM:含时薛定谔方程为),(),(t r i t r H t→∂∂→∧-=ψψ （2.1）其中∧H 为哈密顿算符，),(t r →ψ为波函数，→r 表示一系列原子坐标，即),,(21→→→→=N r r r r 。
(完整word版)分子动力学的模拟程序设计
void computeAccelerations()
{
for (int i = 0; i < N; i++) // set all accelerations to zero
for (int k = 0; k < 3; k++)
a[i][k] = 0;
for (int i = 0; i < N-1; i++) // loop over all distinct pairs i,j
r[p][1] = (y + 0.5) * a;
r[p][2] = (z + 0.5) * a;
}
++p;
}
// initialize velocities
for (int p = 0; p < N; p++)
for (int i = 0; i < 3; i++)
v[p][i] = vMax * (2 * rand() / double(RAND_MAX) - 1);
void initialize()
{
// initialize positions
int n = int(ceil(pow(N, 1.0/3))); // number of atoms in each direction
double a = L / n; // lattice spacing,晶格常数
{
computeAccelerations();
for (int i = 0; i < N; i++)
for (int k = 0; k < 3; k++)
Discovery Studio官方教程(Help-Tutorials) 分子动力学模拟
Discovery Studio Molecular Dynamics教程Molecular Dynamics –分子动力学方法介绍分子动力学(Molecular Dynamics, MD)是分子模拟中最常用的方法之一。
该方法基于分子力场，能够动态的描述分子的运动状况，继而描述生命的动态过程。
分子动力学在生命科学领域中的应用非常广泛，如蛋白质折叠的机理研究、酶催化反应的机理研究、与功能相关蛋白质的运动研究、生物大分子大范围构象变化的研究等等。
近几十年来，分子动力学方法已经成功的运用于大分子体系低能量构象的模建、X射线晶体衍射以及NMR实验结果的处理。
[1,2]现在分子动力学方法已经成了理论生物学研究中必不可少的方法之一。
[3,4]分子动力学模拟主要包括如下几个步骤：1.模拟体系升温过程（Heating Stage）2.模拟体系平衡过程（Equilibrium Stage）3.模拟体系采样过程（Production Stage）4.分析体系的目标性质（Analysis）然而，由于一般的待模拟体系的初始结构或多或少的存在缺陷（比如，初始结构不完整或存在不合理的结构区域），所以我们往往需要对初始结构进行预处理才能进行分子动力学模拟。
一个完整的分子动力学模拟过程应包括如下几个步骤：1.初始结构检查及预处理2.给模拟体系赋力场参数3.考虑溶剂效应4.初始结构能量最小化5.动力学模拟（包括升温、平衡、采样）6.结果分析目前，常用的分子动力学模拟软件都基于Unix（Linux）操作系统。
实施每一个模拟的步骤都需要特定的命令来调用相关的程序对模拟体系进行处理。
同时，模拟者还需要熟知每个参数的意义并定义相关的参数值。
最终分析过程也需要配合其他软件才能完成。
这对初级分子动力学模拟者而言是非常困难的（模拟者不仅需要掌握分子动力学软件的使用命令，还需要掌握操作系统相关的命令）。
为了解决这样的问题，Discovery Studio为用户提供了基于窗口的分子动力学模拟工具。
扩散过程中分子动力学行为模拟
扩散过程中分子动力学行为模拟在科学研究和工程应用中，分子动力学模拟是一种重要的计算方法，用于研究分子系统的宏观性质和微观动力学行为。
扩散过程是分子系统中最基本的运动机制之一，它在生物学、物理学、化学和材料科学等领域都有重要的应用。
本文将介绍扩散过程中的分子动力学行为模拟方法以及其应用。
分子动力学模拟是一种基于分子力学原理的方法，通过模拟分子系统中粒子之间的相互作用力，从而推导出系统的宏观性质。
在扩散过程中，分子之间的相互作用造成了粒子的不断运动和相互碰撞，从而导致物质的扩散。
在分子动力学模拟中，我们可以根据分子间的相互作用能和力场，以及粒子的初始位置和速度，通过数值积分方法来模拟和预测扩散过程中粒子的运动轨迹和分布规律。
首先，扩散过程中的分子动力学模拟需要确定用于描述分子相互作用的力场参数。
力场参数通常通过实验数据和理论计算得到，可以包括键长、键角和二面角等几何参数，以及键的键级、原子电荷和极化率等物理化学性质。
这些参数可以用来计算分子间的相互作用能和力，从而模拟粒子之间的运动。
其次，在进行分子动力学模拟之前，我们需要给定系统中每个粒子的初始位置和速度。
初始位置可以根据实验数据或者理论计算得到，而初始速度通常是根据系统的温度和粒子的质量来确定的。
系统的温度可以通过控制粒子的平均动能和速度分布来实现，从而模拟不同温度下的扩散过程。
接下来，我们可以通过数值积分方法来模拟和预测分子在扩散过程中的运动轨迹。
常见的数值积分方法包括Euler法、Verlet法和Leapfrog法等，通过不断更新粒子的位置和速度，可以模拟出粒子在空间中的运动情况。
同时，我们还可以计算出粒子的运动速度、动能、势能和总能量等宏观性质，从而研究扩散过程中能量转化和守恒的规律。
最后，通过分子动力学模拟，我们可以得到扩散过程中粒子的位置分布和密度分布等关键信息。
通过对分子的移动路径和跳跃频率进行统计分析，可以研究扩散过程中的微观动力学行为，如跳跃频率、扩散系数和粘度等。
分子动力学模拟的基本步骤及误差分析
分子动力学模拟的基本步骤及误差分析作者：马云霞赵慧霞杨晓峰来源：《硅谷》2012年第03期摘要：阐述分子动力学模拟的基本步骤，给出求解所需的运动方程，介绍在模拟和计算过程中产生的误差，并给出减小和避免误差的方法。
关键词：分子动力学模拟；势函数；运动方程；误差中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210179－011 分子动力学模拟简介分子动力学模拟是在原子和分子水平上求解多体问题的一种重要的计算机模拟方法。
我们知道粒子的运动取决于经典力学（F=ma），所以在分子动力学中，粒子的运动行为是通过经典的Newton运动方程所描述的。
其中每个分子各自服从牛顿运动定律：通过求解这组牛顿运动方程可以得到体系中各分子、原子的微观状态随时间的动态变化。
近几年随着计算机技术的发展分子动力学模拟的空间也得到了进一步的拓展，模拟技术也在逐步成熟，它是本世纪以来除实验手段和理论分析外的第三种科学研究手段。
本文通过参考和查阅大量的资料和文献对在模拟过程中产生的误差进行了简要的总结和分析，希望对后续工作者起到一定的帮助。
2 分子动力学模拟步骤2.1 设定模拟所采用的模型[2]。
也就是势函数的选取，这一步是进行分子动力学模拟的基础。
不同的势函数具有不同的适用范围和局限性，我们要针对特定的目的选取适当的势函数，最后计算结果的准确性与所选用的势函数是否恰当息息相关。
势函数一旦确定，就可以根据物理学规律通过模拟计算求得我们需要的守恒量。
2.2 给定初始条件。
求解运动方程首先要知道粒子的初始位置和速度，不同的算法初始条件的给定也是不一样的。
一般用的初始条件有两种：1）令初始位置在差分网格格子上，初始位置从波尔兹曼分布随机抽样得到；2）令初始位置随机的偏离差分网格格子，初始速度为零或者从波尔兹曼随机抽样得到。
2.3 趋于平衡计算。
我们在确定模拟所需的初始条件和边界条件后就开始解运动方程和模拟，但是系统一开始所具有的能量不是我们所要求的能量，为了使系统达到平衡，在模拟过程中需要设立一个趋衡过程，在这个过程中我们从系统中增加或者移出能量，直到系统具有我们所要求的能量，即系统持续给出确定的能量值。
分子动力学的原理
分子动力学的原理分子动力学(Molecular Dynamics, MD)是一种计算表征系统宏观性能中相当重要的技术手段。
其通过对数值模拟分子和原子的动力学行为以及间相互作用进行微观建模，通过模拟和计算大量分子间相互作用之间的动态变化，推断系统整体性质的自组织及演变。
本文将对分子动力学中涉及的部分原理进行介绍。
1. 系统哈密顿量的构造MD的核心在于通过大量的计算来模拟系统中所有原子和分子的异动情况。
在开始模拟时，第一步是计算系统的势能函数。
通常而言，只需要核算出每个分子的势能函数E，而系统的总势能即为所有分子势能之和。
系统能量（E）可以由位能（V）和动能（K）之和表示，即E = V + K其中，位能由原子和分子之间所有的相互作用引起；而动能可以通过动力学方程推算出来。
这里的势能和动能都是填入了具体参数和位置信息之后的真实值。
2. 动力学方程的求解在MD的模拟中，动力学方程是输入的最重要参数之一。
通常来讲，对于给定的势函数，能够求解动力学方程的种类十分有限, 主要有古典力学，量子力学，统计力学等。
而在MD模拟中，我们主要使用的是古典动力学，即使用牛顿力学定律来描述系统的运动状态。
即：F = ma其中F是受力，a是加速度。
受力来自于原子或分子间的相互作用，通常使用势能函数推导出。
例如，在经典分子动力学模拟中，能量势函数通常包括两类：静电相互作用和范德华相互作用。
静电相互作用的例子是具有电气偶极子的分子，而范德华相互作用的例子包括气体分子之间的相互作用。
3. 时间步长和温度控制在MD中，时间步长和温度控制是调节模拟效果和精度的主要参数。
时间步长一般越短，模拟效果越接近真实情况，但计算的代价也越高。
温度控制则可以通过MD内的恒定温度动力学算法来实现，而排除化学反应的干扰则可以通过采用隔离壳模拟系统。
4. 分子动力学的发展分子动力学是一门伴随着计算机硬件和科技进步而不断发展的领域。
随着计算机科学技术的进步，MD算法也得到了快速的发展。
分子动力学的建模和研究
分子动力学的建模和研究分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）是一种研究分子系统运动的计算模拟方法。
MD模拟可以模拟单个原子或分子，也可以模拟大型生物分子、纳米材料、固体和液体等复杂系统，并模拟这些体系随时间演化的过程。
这种模拟方法在物理、化学、材料科学、生物学等领域都得到了广泛的应用。
MD模拟的基本思想是将原子或分子看成粒子，根据牛顿运动定律和分子间相互作用力，通过计算相互作用的总势能和势能对系统的影响来预测体系的演化。
MD模拟涉及到分子的位移、速度、加速度等参数。
通过这些参数的计算，可以得到分子的轨迹，并预测在不同条件下分子系统的结构、动力学和热力学性质等。
MD模拟包括几个主要步骤。
首先确定分子系统的周期性边界条件和初始构型，然后选择合适的相互作用势函数来描述分子间的作用，例如能量函数中的范德华（Van der Waals）势和库伦（Coulomb）势等。
接下来使用分子动力学算法求解系统的运动方程，计算分子的运动轨迹和热力学性质等。
最后，对模拟结果进行统计和分析，并与实验或理论结果进行比较。
MD模拟在材料科学中的应用非常广泛。
例如，研究复杂材料的力学性质、热力学性质和原子间相互作用；预测材料的光学性质、电学性质和磁学性质等；研究材料的形貌和表面结构；以及设计新材料的结构和性质，等等。
对于材料科学家而言，MD模拟是一种非常重要的工具，可以帮助他们理解材料的结构、性质和行为，并指导新材料的设计和制备。
在分子动力学模拟中，如何建立合理的模型是至关重要的。
模型的选择既要考虑模型的精度和可靠性，也要考虑模拟的时间和计算资源消耗。
模型的粒度和精细程度是影响模拟结果的重要因素之一。
模型粒度越细，计算量就越大，但结果可能更加准确。
对于大型复杂系统，常常要进行多种粒度以及多种方法的模拟，以在精度和计算资源消耗之间取得平衡。
此外，模型的物理意义也很重要。
模型应该合理地反映实际系统的物理过程和反应机制，以便更好地解释和预测实验结果。
分子动力学中文
分子动力学中文
分子动力学是一门结合物理、数学和化学的综合技术，是一套分子模拟方法。
该方法主要依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
分子动力学是一种计算机辅助模拟工具，用于描述物质或分子中的原子级运动过程。
其基本过程为：1. 设置研究对象组成原子的初始位置和速度；2. 计算每个原子受到的合力，并基于牛顿第二定律计算原子的加速度；3. 计算原子下一时刻的速度；4. 计算原子下一时刻的位置；5. 循环2-4的过程，得到一系列时刻原子的位置和速度；6. 基于位置和速度信息得到描述对象性质和行为的物理量。
分子动力学在多个领域中都有广泛的应用，如固态、液态、软物质、粗粒化物质等领域。
其中，LAMMPS是一款开源的分子动力学模拟软件，可以支持十亿级原子规模的计算，在计算能力和效率方面表现出色。
生物催化反应的分子动力学模拟
生物催化反应的分子动力学模拟生物催化反应是指在生物体内或体外，通过酶的催化作用，促进化学反应的进行。
酶是一种生物催化剂，具有高催化效率、高选择性和高稳定性等优势。
然而，酶催化反应的机理和动力学过程仍然存在很多未知和争议。
为了深入研究酶催化反应，探索其分子机制和优化应用，分子动力学模拟成为了重要的研究手段。
分子动力学模拟是一种基于分子力学原理的计算方法，通过模拟系统中分子的运动轨迹和相互作用，预测和分析分子的结构和性质，并模拟时间和空间尺度上的动态变化。
在生物催化反应的研究中，分子动力学模拟可以模拟酶催化反应的细节过程，如底物的结合、解离和转化，催化水解和合成反应等，为揭示酶催化反应机理和优化酶催化反应提供了有力的工具。
分子动力学模拟通常从分子模型的建立开始。
对于酶催化反应而言，需要先构建酶分子的三维结构模型，并确定催化反应中所涉及到的重要氨基酸残基和底物分子。
常用的方法包括晶体学、核磁共振等结构科学技术和蛋白质工程技术等。
在结构模型的基础上，通过分子力学原理优化电荷分布、键长、角度等参数，以得到更准确和可靠的分子模型。
得到分子模型后，接下来就是模拟运动过程。
分子动力学模拟使用牛顿运动方程描述分子的运动，分子之间的相互作用力则依据分子间相互作用力原理确定。
模拟过程中需要依照给定的初始结构、体系温度、压强和所需模拟的时间等因素，利用计算机程序求解数值解并得到分子的运动轨迹、能量变化等数据。
通过模拟得到的数据，可以计算出各个过程中各个分子的能量和状态，以及运动所需要的时间和空间尺度等信息，进而深入分析和揭示酶催化反应的动力学机制。
分子动力学模拟在生物催化反应中的应用非常广泛。
例如，研究人员利用分子动力学模拟揭示了蛋白酶的自溶解机制，并通过模拟酶和透过羟基草酸分子间的相互作用来探究腺苷酸酰化酶的催化机制等。
同时，也有研究者利用分子动力学模拟优化酶催化反应的条件，如PH值、温度和底物结构等因素，以提高催化效率和选择性，并为新型酶催化反应的开发提供指导。
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是一种用来模拟分子体系的运动行为的计算方法。
它基于牛顿运动定律，使用数值方法来解决分子体系的运动方程。
通过分子动力学模拟，我们可以获得关于分子的结构、动力学和热力学性质的重要信息。
下面是一个大致的分子动力学模拟过程的详细说明。
1.构建模型：在分子动力学模拟中，首先需要构建一个分子体系的模型。
这通常涉及到确定分子的结构、生成分子的初始坐标和确定分子的力场参数。
分子结构可以从实验数据、计算化学方法或数据库中获取。
然后，通过一系列的方法，如蒙特卡洛算法或最小能量，可以生成初始坐标。
最后，需要为分子体系选择合适的力场参数，如势函数、相互作用能和键角等。
2.初步能量最小化：在模拟之前，需要对体系进行初始能量最小化。
所谓能量最小化，即通过调整分子的坐标来寻找使分子体系的总势能最小化的构型。
常用的能量最小化方法包括共轭梯度法和拟牛顿法等。
通过能量最小化，可以将分子体系调整到一个合理的初始构型，以便接下来进行模拟。
3.设置模拟条件：在分子动力学模拟中，还需要设置模拟条件，如时间步长、温度、压力和模拟时间等。
时间步长定义了模拟中的时间单位，通常在飞秒或皮秒范围内。
温度和压力则可以通过马赫德尔高特和安德森热浴等算法来控制，以达到期望的温度和压力。
模拟时间决定了模拟的总时长，通常需要进行充分长的模拟以获得稳定的结果。
4.进行运动方程的数值积分：分子动力学模拟的核心是对运动方程进行数值积分，以获得分子的轨迹。
运动方程通常由牛顿第二定律给出，即F = ma，其中F为分子所受的力，m为分子的质量，a为分子的加速度。
数值积分可以使用多种算法实现，如欧拉方法、Verlet方法、Leapfrog方法等。
通过迭代计算，可以得到分子在每个时间步长上的新位置和速度。
5.能量和性质计算：在模拟过程中，还需要计算分子的能量和一些热力学性质。
能量计算包括键能、键角能、电子能和范德华力等。
这些能量的计算可以通过分子力场模型或量子化学方法来完成。
MS分子动力学模拟具体实施步骤
第3章 铁基块体非晶合金‐纳米晶转变的动力学模拟过程 3.1 Discover模块3.1.1 原子力场的分配在使用Discover模块建立基于力场的计算中，涉及几个步骤。
主要有：选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non‐bond cutoffs。
在这些步骤中，指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。
然而，在某些情形下需要手动指定原子类型。
原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。
在为特定的系统确定能量和力时，定型原子使工作者能使用正确的力场参数。
通常，原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行，所以不需要手动原子定型。
然而，在特殊情形下，人们不得不手动的定型原子，以确保它们被正确地设置。
图 3-11）计算并显示原子类型：点击Edit→Atom Selection，如图3‐1所示图3-2弹出对话框，如图3‐2所示从右边的…的元素周期表中选择Fe，再点Select，此时所建晶胞中所有Fe原子都将被选中，原子被红色线圈住即表示原子被选中。
再编辑集合，点击Edit →Edit Sets，如图3‐3、3‐4所示。
图3-3图3-4弹出对话框见图3‐4，点击New...，给原子集合设定一个名字。
这里设置为Fe，则3D视图中会显示“Fe”字样，再分配力场：在工具栏上点击Discover按钮，从下拉列表中选择Setup，显示Discover Setup对话框，选择Typing选项卡，见图3‐5。
图3-5在Forcefield types里选择相应原子力场，再点Assign（分配）按钮进行原子力场分配。
注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态（Formalcharge）一致。
3.1.2力场的选择1）Energy，见图3‐6。
图3-6力场的选择：力场是经典模拟计算的核心，因为它代表着结构中每种类型的原子与围绕着它的原子是如何相互作用的。
对系统中的每个原子，力场类型都被指定了，它描述了原子的局部环境。
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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。