实验四介观动力学模拟

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《计算材料学》实验讲义

实验八：介观动力学模拟

一、前言

1、介观模拟简介

长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。

由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微秒）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。

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)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau

方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin's equation）来描述体系演化的动力学。

（1）MS-Mesocite简介

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的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MS Mesocite的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(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、. 精品文档

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。

应用Mesocite进行动力学模拟时，最主要的是得到精确的力场。Martini力场，是由Marrink提出的，可以应用于生物分子体系。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

以下以介观动力学模拟脂质双分子层为例，熟悉Mesocite的基本操作。

1、打开MS，选择created new project，键入CG-bilayer作为工程的名称，点击OK。本实例是在软件所有参数在默认的情况下进行的，选择Tools-Settings Organizer，选中CG-bilayer，点击Reset。

2、建脂质分子，建模过程要用到Mesostructure toolbar，如在工具栏中没有此建模工具，点击菜单栏中的view-toolbar-mesostructure，调出此建模工具。

（1）点击Bead Types按钮，打开Bead Types 对话框。

点击Properties…按钮，打开Bead Type Properties 对话框，点击Defaults…按钮，设置Mass为72，Radius为2.35，关闭Bead Type Defaults和Bead Type Properties对话框。

在Bead Types对话框中，定义一下珠子类型：C、GL、PO和NC，关闭对话框。.

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对话框。Build MesomoleculeMesomolecule按钮，打开（2）点击，C和4个个PO、1个GL定义粗粒化分子，依次选择4个C、1个GL、1 按钮。Randomize order within repeat unit，点击Build确定不选对话框Build MesomoleculePO珠子，删除文件中左击在Mesomolecule.xsd 中所有的珠子。BranchesMesomolecule more…按钮，打开Add to branch points，点击选中，关闭对话框。为1对话框。设置Number of branches to attach 按钮。。点击Build对话框中选择1个NC在Build Mesomolecule一栏中对话框，在properties（在显示面板中右击，选择Label，打开label，可以检测建立的粗粒化分子是不是正确，可，点击Apply选择BeadTypeName 以对比下图。Mesomolecule.xsdProject Explorer，把Build Mesomolecule对话框。在3（）关闭DPPC.xsd。我们得到以下粗粒化分子结构：文件名改为

力场，分配力场，优化脂质分子。3、更改Martini

选择或点击Mesocite tools，（1）选择Modules -Mesocite - Forcefield ManagerProject Explorer打开力场文件。在点击选择MS Martini，>>，Forcefield Manage，MSMartiniCIS.off。中，把文件名改为下拉选Show interaction。在）打开MSMartiniCIS.off文件，点击Interactions（2 。改变Fj 到QaFk 。在空白框中，设置Fi 和到Na 以及Angle Bend项中选择关闭力场文件10.8。120TO 为，KO为Cosine HarmonicFunctional Form 为设置并保存。

选择或点击Mesocite tools| （3）选择Modules | Mesocite CalculationCalculation; 的下拉选项中对话框，点击Mesocite CalculationEnergy，在Forcefield打开MSMartiniCIS.offChoose ForcefieldBrowse...选择，在对话框中选择。.

精品文档CC类型珠子，选中所有的DPPC.xsd文件。按下（ALT4）打开键，双击任意Mesocite Proparation More...打开Mesocite Calculation对话框中，点击类型珠子。在Assign按钮。对话框，选择C1，点击options 分配力场，分配类型如下表所示：PO、NC重复此步，为GL、

Charge MS Martini Forcefield Type BeadTypeName0 C C1

0 GL Na

-1.0 Qa PO

1.0

Q0

NC

设，同样把NC中，设置Charge为-1Explorer选择PO珠子，在Properties

1。置为Geometry 为Setup，改变TaskCalculation（5）在Mesocite 对话框中，点击按钮。得到以下结构：Optimization。点击Run

，，下拉选项中点击Angel按钮（6）在工具栏中，选择Measure/Change。此时会显示出两个接近同样选择右边的PO-GL-C依次点击左边的C-GL-PO,0。为Angels230156.5Properties 的角度，选在两个角度，在Explorer中，设置。得到以下分子结构：ALT按下键，双击角度，按下Delete