三.分子动力学的基本过程36页
分子动力学基本知识
第六章 分子动力学方法6.1引言对于一个多粒子体系的实验观测物理量的数值可以由总的平均得到。
但是由于实验体系又非常大，我们不可能计算求得所有涉及到的态的物理量数值的总平均。
按照产生位形变化的方法，我们有两类方法对有限的一系列态的物理量做统计平均：第一类是随机模拟方法。
它是实现Gibbs的统计力学途径。
在此方法中，体系位形的转变是通过马尔科夫(Markov)过程，由随机性的演化引起的。
这里的马尔科夫过程相当于是内禀动力学在概率方面的对应物。
该方法可以被用到没有任何内禀动力学模型体系的模拟上。
随机模拟方法计算的程序简单，占内存少，但是该方法难于处理非平衡态的问题。
另一类为确定性模拟方法，即统计物理中的所谓分子动力学方法（Molecular Dynamics Method）。
这种方法广泛地用于研究经典的多粒子体系的研究中。
该方法是按该体系内部的内禀动力学规律来计算并确定位形的转变。
它首先需要建立一组分子的运动方程，并通过直接对系统中的一个个分子运动方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量，即在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性, 从而得到系统的宏观性质。
因此，分子动力学模拟方法可以看作是体系在一段时间内的发展过程的模拟。
在这样的处理过程中我们可以看出：分子动力学方法中不存在任何随机因素。
系统的动力学机制决定运动方程的形式：在分子动力学方法处理过程中，方程组的建立是通过对物理体系的微观数学描述给出的。
在这个微观的物理体系中，每个分子都各自服从经典的牛顿力学。
每个分子运动的内禀动力学是用理论力学上的哈密顿量或者拉格朗日量来描述，也可以直接用牛顿运动方程来描述。
这种方法可以处理与时间有关的过程，因而可以处理非平衡态问题。
但是使用该方法的程序较复杂，计算量大，占内存也多。
适用范围广泛：原则上，分子动力学方法所适用的微观物理体系并无什么限制。
这个方法适用的体系既可以是少体系统，也可以是多体系统；既可以是点粒子体系，也可以是具有内部结构的体系；处理的微观客体既可以是分子，也可以是其它的微观粒子。
第四章 分子动力学
分子动力学与分子力学不同，它求解的是随时间变化的分子的状态、行为和过程。
分子动力学将原子看作为一连串的弹性球，原子在某一时刻由于运动而发生坐标变化。
在运动的任一瞬间，通过计算每个原子上的作用力和加速度，来测定它们的位置和运动速度。
由于一个原子的位置相对于其他原子的位置不断变化着，同时力也在变化，可用适当的力场方法，通过评价体系的能量，计算出任一特定原子的力。
分子动力学模拟可作瞬时的、通常为皮秒级（10-12s）的分析，由此模拟计算而获得以一定位置和速度存在的原子的运动轨迹。
计算中根据分子体系的大小、特点和要求来决定模拟时间的长短。
分子动力学方法是一通用的全局优化低能构象的方法。
用分子动力学模拟可使分子构象跨越较大的能垒，因此可以通过升温搜寻构象空间，势能的波动对应着分子构象的变化，当总能量出现最小值时，在常温下（300K）平衡，即可求得低能构象。
在常温下的分子动力学模拟需要很长的时间来克服能量势垒，因此分子动力学对分子构象空间的取样相当缓慢。
提高分子体系的温度，可加大样本分子构型空间的取样效率。
分子动力学计算中，常使用蒙特卡洛算法和模拟退火算法。
蒙特卡洛算法：是一种统计抽样方法。
其基本思想是在求解的空间中随机采样并计算目标函数，以在足够多的采样点中找到一个较高质量的最优解作为最终解。
在动力学计算全局优化低能构象时，以经验势函数随机抽样，不断抽取体系构象，使其逐渐趋于热力学平衡。
该方法需要大量采样才能得到较精确的结果，因此收敛速度较慢。
模拟退火算法：退火是将金属或其他固体材料加热至熔化后，再非常缓慢地冷却的过程。
缓慢冷却是为了凝固成规则的处于最稳态的坚硬晶体状态。
模拟退火算法用于分子动力学计算时，可有效地求得分子的全局优势构象。
过程为：先使体系升温，在高温下进行分子动力学模拟，使分子体系有足够的能量，克服柔性分子中存在的各种旋转能垒和顺反异构能垒，搜寻全部构象空间，在构象空间中选出一些能量相对极小的构象；然后逐渐降温，再进行分子动力学模拟，此时较高的能垒已无法越过，在极小化后去除能量较高的构象，最后可以得到相应的能量最小的优势构象。
分子动力学
经典运
预测矫正法
上式
分子动力学----牛顿运动方程的数值解法
预测矫正法
分子动力学----牛顿运动方程的数值解法
分子动力学----积分步长的选取
分子动力学----积分步长的选取
分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后 利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，积分 步长就是抽样的间隔。
因此从实际的角度来讲，分子动力学适合研究反应或运动 时间小于1ns的体系，而不适合较慢的反应或运动。例如蛋白 质折叠在10-3s（1ms）级别,则需要非常长的时间。
分子动力学----分子动力计算流程
计算过程
计算过程
执行分子动力学计算时，将一定数目的分子放在一定形状的盒 子中，并使它的密度和实验密度相符合，再选定实验的温度， 即可以着手计算。
分子动力学----简化单位
分子动力学----简化单位
研究分子或原子系统时，如果采用国际单位制，原子质量以g 为单位，则通常的原子质量约为10-22g级别；若位置以cm为单 位，则通常的量纲为10-8cm；同样积分步长用s做单位通常在 10-13~10-16s。这些量纲非常小，实验中很容易引起误差，因此 实际计算时通常采用简化单位。
因为分子动力学计算的步长很短，每一步移动的距离也很小，
通常每隔10~20步存储一次来节省硬盘空间。
分子动力学----分子动力计算流程
计算过程
分子动力学中，最重要的工作为如何选取合适的积分步长，在 节省时间的同时也保证计算的精确性。
原则: 积分步长小于系统中最快运动周期的十分之一。 太长的步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短
分子动力学方法模拟基本步骤
分子动力学方法模拟基本步骤分子动力学方法是一种计算机模拟方法，用于研究原子、分子和粒子的运动行为。
它能够预测和揭示材料、化学物质和生物分子的性质和行为，对于理解和设计材料、药物和生物分子等具有重要意义。
分子动力学方法的模拟过程一般包括以下几个基本步骤。
1.选择模拟系统：首先需要明确要研究的系统，包括所研究系统的化学组成、结构和边界条件。
例如，研究一段DNA链的行为时，需要明确DNA链的序列、结构和周围环境等。
选择合适的模拟系统对于准确预测和理解系统行为至关重要。
2.设定初始构型：在进行分子动力学模拟之前，需要为模拟系统设定一个初始构型。
这个初始构型可以根据实验数据、理论计算结果或者其他模拟方法获得，也可以是人工构建的。
对于分子体系，通常使用分子力场将分子中的原子与键、角和二面角等参数进行描述。
初始构型需要满足系统的化学组成和结构，并且能够代表系统的初始状态。
3.设定运动方程：分子动力学方法通过求解牛顿运动方程来模拟粒子的运动。
这些运动方程与力场势能有关。
在分子动力学方法中，一般使用经验势函数来描述粒子间的相互作用。
这些势函数包括键能、角势能、二面角势能以及相互作用势能等。
4. 进行数值积分：为了在计算机中模拟分子的运动，需要解决运动方程的数值积分问题。
一般采用常用的积分算法，如velocity-Verlet算法、Euler算法等来进行数值积分。
这些算法能够根据物体的初始位置、速度和加速度，预测物体在一段时间后的位置、速度和加速度。
5.模拟运行：设置好模拟参数之后，就可以开始进行分子动力学模拟的运行。
在模拟过程中，按照设定的时间步长，通过数值积分方法求解运动方程，得到粒子在每个时间步长上的位置和速度。
同时，需要计算粒子间相互作用势能，以及其他需要关注的物理性质。
6.数据分析：模拟运行之后，需要对模拟得到的数据进行分析。
可以计算能量、压力、温度等系统的宏观性质，并进行可视化和统计分析。
同时，可以与实验结果进行比较，以验证模拟结果的准确性。
分子动力学模拟及自由能计算
分子动力学模拟及自由能计算一、引言分子动力学模拟是一种重要的计算方法，用于研究分子体系的运动行为和相互作用。
通过模拟分子的运动轨迹，可以获得分子的结构、动力学和热力学性质，从而深入理解分子的行为规律。
自由能计算是分子动力学模拟的重要应用之一，它可以用来研究化学反应、相变等关键过程的稳定性和速率。
二、分子动力学模拟的基本原理分子动力学模拟基于牛顿运动定律，通过求解分子的运动方程来模拟分子的运动过程。
在模拟过程中，分子的位置和速度被更新，并且通过计算分子间的相互作用力来获得分子的加速度。
通过迭代计算，可以得到分子的运动轨迹和相应的物理性质。
三、分子动力学模拟的步骤分子动力学模拟包括准备系统、能量最小化、平衡处理和生产模拟等步骤。
首先，需要准备模拟系统，包括确定分子的结构和初始构型，并设置模拟的温度、压力等条件。
然后，对系统进行能量最小化，以得到一个稳定的初始结构。
接下来，进行平衡处理，使系统达到平衡状态，以便进行后续的模拟。
最后，进行生产模拟，记录分子的运动轨迹和相关的物理性质。
四、自由能计算的基本原理自由能是描述系统稳定性和相互作用强度的重要物理量。
自由能计算可以通过各种方法进行，如Monte Carlo方法、分子力学方法等。
其中，基于分子动力学模拟的自由能计算方法较为常用。
自由能计算可以通过计算系统的配分函数来实现，配分函数是描述系统状态的统计量，可以用来计算系统的热力学性质。
五、自由能计算的方法常见的自由能计算方法包括自由能差计算、自由能梯度计算和自由能表面计算等。
自由能差计算通过比较两个系统的自由能差来研究化学反应的稳定性和速率。
自由能梯度计算可以用来研究相变、界面等关键过程的稳定性和速率。
自由能表面计算可以用来研究分子的构象变化和反应路径等。
六、自由能计算的应用自由能计算在化学和材料科学等领域有广泛的应用。
例如，可以通过自由能计算来研究催化剂的活性和选择性，以指导催化反应的设计和优化。
此外，自由能计算还可以用来研究药物分子的结合机制和亲和力，以辅助药物设计和筛选。
分子动力学模拟步骤和意义
分子动力学模拟步骤和意义摘要：一、分子动力学简介二、分子动力学模拟步骤1.准备模型和初始条件2.计算相互作用力3.更新位置和速度4.检查收敛性及输出结果5.重复步骤2-4，直至达到预定模拟时间三、分子动力学模拟意义1.增进对分子结构和性质的理解2.预测分子间相互作用3.优化化学反应条件4.辅助药物设计和材料研究正文：分子动力学是一种计算化学方法，通过模拟分子间的相互作用和运动轨迹，以揭示分子的结构和性质。
这种方法在许多领域具有广泛的应用，如生物化学、材料科学和药物设计等。
分子动力学模拟的主要步骤如下：1.准备模型和初始条件：在进行分子动力学模拟之前，首先需要构建分子模型，包括原子类型、原子间相互作用力等。
同时，为模拟设定初始条件，如温度、压力和分子位置等。
2.计算相互作用力：根据分子模型，利用力学原理（如牛顿第二定律）计算分子间相互作用力。
这些力包括范德华力、氢键、静电相互作用等，对分子的运动和相互作用起关键作用。
3.更新位置和速度：根据相互作用力，对分子的位置和速度进行更新。
通常采用Verlet积分法或Leap-Frog算法等数值方法进行计算。
4.检查收敛性及输出结果：在每次迭代过程中，需要检查模拟的收敛性。
若达到预设的收敛标准，则输出当前时刻的分子结构和性质。
否则，继续进行下一次迭代。
5.重复步骤2-4，直至达到预定模拟时间：分子动力学模拟通常需要进行大量迭代，以获得足够准确的结果。
在达到预定模拟时间后，可得到完整的分子动力学轨迹。
分子动力学模拟在科学研究和实际应用中具有重要意义。
通过模拟，我们可以更好地理解分子的结构和性质，预测分子间的相互作用，从而为实验设计和理论研究提供有力支持。
此外，分子动力学模拟还有助于优化化学反应条件，为药物设计和材料研究提供理论依据。
分子动理论的三个基本内容
分子动理论的三个基本内容分子动力学是研究物质分子和原子等微观结构在受到物理和化学外力作用时的动态过程的一个学科。
它既涉及分子的构造，又涉及分子的动力学运动。
它的研究对熔体、液体、固体以及更复杂的现象有着极为深入的理解和推理。
从某种意义上看，分子动力学可以被认为是实验物理学的一个分支，但它也与数学物理学有着密切的联系。
分子动力学可以细分为三大块内容：（1）分子构造（2）分子运动学（3）分子能量学。
二、分子构造分子构造是分子动力学的基础。
它涉及对分子的架构和结构的全面考察，以及它们的空间构成和空间结构，以及分子的活动性和可活动性。
它还涉及对分子的立体形状的描述，包括其空间分布和性质，以及描述分子的轨道构造、结合能和能量状态。
三、分子运动学分子运动学是分子动力学中最重要的一部分。
它主要涉及对分子在物理和化学外力作用下的动态过程，如电磁场中的分子行为，以及分子受固定外力作用时的受力情况。
分子运动学要求根据分子的电子构造和库伦力（Coulomb force），建立运动学方程，用于解释由外力诱导的动态过程，以及受力机理和行为。
四、分子能量学分子能量学研究分子间能量分布和能量交换的动态特性，以及分子能量变换的规律。
它涉及对分子能量的仔细测量，以及分子外壳能量和极化能量的分析。
它还涉及对分子受固定外力作用下的能量变换等进行模拟，以及分子间分子共振结构的仿真。
总结总之，分子动力学是一个非常有趣的学科，它的研究贯穿了分子的构造、运动学和能量学等领域，是现代物理学研究的重要基础。
分子动力学的运用已经深入到化学、物理、生物学等其他学科的研究中，也为其他学科的发展提供了重要的理论支持。
只有彻底理解和深入研究分子动力学的各个方面，才能更好地应用它来解决实际问题。
分子动力学
分子动力学模拟一．分子动力学的基本原理在分子动力学模拟中，体系原子的一系列位移是通过对牛顿运动方程积分得到的，结果是一条运动轨迹，它表明了系统内原子的位置与速度如何随时间而发生变化。
通过解牛犊第二定律的微分方程，可以获得原子的运动轨迹。
方程如下：这个方程描述了质量为m i的原子i在力Fi的作用下，位置矢量为r i时的运动方程。
其中，Fi可以由势函数U的梯度给出：系统的温度则与系统中全部原子的总动能K通过下式相联系：N是原子数，Nc是限制条件，k B是波尔兹曼常数。
二. MD模拟的积分算法为了得到原子的运动轨迹，可以采用有限差分法来求解运动方程。
有限差分法的基本思想就是将积分分成很多小步，每一小步的时间固定为δt。
用有限差分解运动方程有许多方法，所有的算法都假定位置与动态性质（速度、加速度等）可以用Taylor级数展开来近似：在分子动力学模拟中，常用的有以下的几中算法：1. Verlet算法运用t时刻的位置和速度及t－δt时刻的位置，计算出t＋δt时刻的位置：两式相加并忽略高阶项，可以得到：速度可以通过以下方法得到：用t＋δt时刻与t－δt时刻的位置差除以2δt：同理，半时间步t+δt时刻的速度也可以算：Verlet算法执行简单明了，存储要求适度，但缺点是位置r(t＋δt)要通过小项与非常大的两项2r(t)与r(t－δt)的差相加得到，容易造成精度损失。
另外，其方程式中没有显示速度项，在没有得到下一步的位置前速度项难以得到。
它不是一个自启动算法：新位置必须由t时刻与前一时刻t－δt的位置得到。
在t＝0时刻，只有一组位置，所以必须通过其它方法得到t－δt的位置。
一般用Taylor级数：2. Velocity－Verlet算法3. Leap-frog算法为了执行Leap-frog算法，必须首先由t-0.5δt时刻的速度与t时刻的加速度计算出速度v(t+δt)，然后由方程计算出位置r(t+δt)。
T时刻的速度可以由：得到。
分子反应动力学
分子反应动力学一、引言分子反应动力学是化学中一个重要的分支领域，它研究的是化学反应过程中分子之间相互作用的规律性以及反应速率与温度、压力等因素之间的关系。
本文将从以下几个方面对分子反应动力学进行详细阐述。
二、分子反应速率常数1.定义分子反应速率常数是指在一定温度下，单位时间内单位体积内发生化学反应的物质量。
通常用k表示。
2.影响因素（1）温度：在一定范围内，温度升高会加快分子运动速度和碰撞频率，从而增加反应速率常数。
（2）催化剂：催化剂可以降低活化能，提高反应速率常数。
（3）浓度：浓度越高，碰撞频率越高，从而增加反应速率常数。
（4）光照：某些光敏化合物在光照下会发生光解或其他光化学反应，从而增加反应速率常数。
三、碰撞理论1.基本概念碰撞理论是描述气相分子之间碰撞引起化学变化的理论。
它假设反应发生需要分子之间的碰撞，并且只有在足够高的能量下才能发生反应。
2.基本公式碰撞理论中，反应速率常数可以用下式表示：k = Z * f * P其中，Z为分子碰撞数，f为反应因子，P为活化因子。
四、过渡态理论1.基本概念过渡态理论是描述气相分子之间化学反应的另一种理论。
它认为在反应过程中会形成一个高能量的过渡态，只有通过这个过渡态才能完成反应。
2.基本公式过渡态理论中，反应速率常数可以用下式表示：k = k0 * e^(-Ea/RT)其中，k0为频率因子，Ea为活化能，R为气体常数，T为绝对温度。
五、动力学模型1.单分子反应模型单分子反应模型指的是只有一个分子参与反应的情况。
此时，反应速率常数与浓度无关。
2.双分子反应模型双分子反应模型指的是两个分子参与反应的情况。
此时，反应速率常数与浓度平方成正比。
3.多分子反应模型多分子反应模型指的是三个或以上分子参与反应的情况。
此时，反应速率常数与浓度的n次幂成正比。
六、结论本文从分子反应速率常数、碰撞理论、过渡态理论和动力学模型四个方面对分子反应动力学进行了详细介绍。
通过对这些理论和模型的研究，可以更好地了解化学反应过程中分子之间相互作用的规律性，为实际化学工业生产提供指导。
分子动力学概述
分子动力学分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。
该技术不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。
它是对理论计算和实验的有力补充。
分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述，这种描叙可以牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述，也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。
在忽略核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下，分子动力学的这一种假设是可行的[1]。
所谓绝热近似也就是要求在分子动力学过程中的每一瞬间电子都处于原子结构的基态。
要进行分子动力学模拟就必须知道原子间的相互作用势。
在分子动力学模拟中，我们一般采用经验势来代替原子间的相互作用势，如Lennard-Jones势、Mores势、EAM原子嵌入势、F-S多体势。
然而采用经验势必然丢失了局域电子结构之间存在的强相关作用信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质[1]。
事实上，分子动力学就是模拟原子系统的趋衡过程。
实际上，分子动力学方法就是确定某一描述与初始条件、边值关系的数值解。
我们假定系统经过M步长之后达到稳定，而这一稳定状态正是我们所求的。
１、分子动力学的算法分析首先，我们假定我们研究的系统服从 Newton 方程所确定的描述，即：)(1)(..t F mt r =（1） 式中r(t)表征原子在t 时刻的位置矢量F(t)表征原子在t 时刻所受到的力，它与所有原子的位置矢有关m 表征原子的质量。
如果我们给定初始条件，即方程（１）的定解条件r(0)和v(0)，那么方程（１）的解就可以确定。
６０年代中期发展了大量的分子动力学算法，如两步差分算法[2]、预测-校正算法[3]、中心差分算法[4]、蛙跳算法[5]等等。
为了方便导出它们，我们以Euler 一步法[6]来讨论之。
我们令)()(..t r t v =（表征粒子的速度），则有：)()()(1)()(....t v t r t F m t r t v === （２）记⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=)()(1)()()()(.t v t F m t f t r t v t w （３）则有)()(.t f t w = ？？？？？？ （４） 欧拉一步法就是用向前差商来替代一阶导数，即：)()()1(.t w hk w k w =-+，其中h 是时间步长，将之代入（４）则有：)()()1(t hf k w k w =-+ （５）即：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+)()(1)()1()()1(k v k F m h k r k r k v k v )()()1()(1)()1(k hv k r k r k F mhk v k v +=++=+ （６） 对于（６）式,因为给定了r(0)和v(0),故r(k+1) 和v(k+1)可以确定。
分子动理论的初步知识
分子动理论的初步知识前言分子动理论是物理学中的一个重要分支，它通过分析分子在运动中的行为和特性，研究物质的性质和现象。
分子动理论的应用范围非常广泛，既可以解释温度、压力等热力学量的性质，也可以研究化学反应、热传导和电导等物理过程。
本文将介绍分子动理论的基本概念和原理，希望能为读者提供初步的了解和入门。
分子动力学基本原理分子动力学是研究分子在距离分子直径尺度的范围内相互作用和运动规律的一种分支学科。
基于分子动力学，我们可以通过计算分子的位置、速度、寿命等参数，来预测和解释分子的行为和性质。
在分子动力学中，分子的运动被视为一种三维的布朗运动。
每个分子在每个时间点的运动是无规律的，它将根据当前位置、速度和碰撞等因素而改变方向和速度。
分子间的相互作用和碰撞也会影响它们的行为。
分子运动的基本参数分子动力学描述了分子在空间中的运动状态。
我们可以使用一些常用的参数来描述它们的运动特性。
1.位置 - 分子在空间中的位置，通常使用x, y, z坐标来表示。
2.速度 - 分子在空间中的速度，单位通常是米/秒。
3.加速度 - 分子在空间中的加速度，通常使用米/秒²表示。
4.动能 - 分子的动能与其速度成正比，是分子在空间中的运动能量。
5.碰撞 - 分子之间的相互作用称为碰撞，它会影响分子的运动和速度。
热力学和统计力学分子动力学的研究需要涉及到热力学和统计力学的相关知识。
热力学是研究热学和热力学性质的学科，它将热学量（如温度、压力、热能等）视为系统状态的基本属性。
而统计力学则是描述大量粒子系统微观行为的一门学科。
它分析粒子的随机行为，并根据得到的结果来推断和预测宏观热力学量的变化。
在分子动力学研究中，我们可以使用这些学科的知识来解释分子间相互作用、物体的温度和压力等特性。
分子间的相互作用分子间的相互作用是分子动力学研究的重点之一。
这些相互作用可以是分子间引力、斥力，也可以是分子与周围环境的相互作用（如分子与溶液或气体之间的相互作用等）。
分子动力学与分子运动规律
分子动力学与分子运动规律分子动力学是研究分子和原子在宏观尺度下的运动及其规律的一门科学。
通过模拟、计算和实验等手段，我们可以深入了解分子在空间中的运动方式以及运动规律。
本文将从分子动力学的基本原理、应用领域以及分子运动规律等方面展开讨论。
一、分子动力学的基本原理分子动力学的基本原理是基于牛顿运动定律和统计力学的基础上发展起来的。
根据牛顿第二定律，力等于质量乘以加速度，可以推导出分子的运动方程。
统计力学则从微观角度出发，通过概率分布函数描述粒子的运动状态，并研究系统的平衡态和非平衡态。
分子动力学模拟将这两个理论相结合，精确地计算出了系统中每个粒子的位置、速度和加速度等参数。
二、分子动力学的应用领域1. 材料科学：通过分子动力学的模拟和计算，可以研究材料的力学性质、热学性质、电学性质等，并设计出具有特定性能的新材料。
2. 生物物理学：分子动力学可以揭示蛋白质、核酸和其他生物大分子的三维结构、折叠动力学、相互作用等，对于理解生物体系的功能和机制具有重要意义。
3. 化学反应：分子动力学模拟可以模拟和预测化学反应的机理和动力学过程，为催化剂设计、反应路径优化等提供指导。
4. 天体物理学：分子动力学可以模拟星际空间的分子云的动力学行为，研究星系形成、恒星演化等问题。
三、分子运动规律的研究1. 热力学性质：通过分子动力学模拟，可以计算出系统的温度、压力、内能等热力学性质。
根据统计力学的理论，我们可以得到物质的热容、热传导系数等重要参数。
2. 扩散和输运：分子动力学模拟可以研究分子在不同介质中的扩散行为，如溶液中的离子扩散、气体中分子的传输等。
这对于理解物质的传输和输运过程有重要意义。
3. 振动和振动能量传递：分子动力学模拟可以揭示分子的振动模式和振动能量的传递过程，对于理解物质的热导和声导等过程有重要意义。
4. 相变和相变动力学：分子动力学可以模拟物质的相变过程，如固液相变、液气相变等，研究相变的驱动力和动力学行为。
分子动力学分子的运动和相互作用
分子动力学分子的运动和相互作用分子动力学是一种研究物质中分子的运动和相互作用的方法。
它通过数值模拟方法，利用经典力学或量子力学的原理模拟分子在时间和空间上的运动，从而揭示物质的宏观性质和微观行为。
本文将介绍分子动力学的基本原理、模拟方法和应用。
一、分子动力学的基本原理分子动力学的基本原理是牛顿第二定律——物体的加速度正比于物体所受的合外力，反比于物体的质量。
对于分子系统来说，可以将每个分子看作质点，其运动由受力决定。
在分子动力学模拟中，通常考虑分子之间的相互作用力，如库仑力、范德华力等，并采用数值积分方法求解运动方程。
二、分子动力学的模拟方法1. 初始构型的设定在进行分子动力学模拟前，需要设定初始构型，即确定分子的位置和速度。
可以根据实验数据或计算结果来设定初始构型，也可以通过随机数生成方法来生成。
2. 动力学方程的数值积分分子动力学模拟需要求解动力学方程，可以采用不同的数值积分方法。
其中，最常用的是Verlet算法和Leapfrog算法。
这些算法通过将时间进行离散化，将运动方程转化为差分方程，并利用迭代方法求解。
3. 相互作用势函数的计算在分子动力学模拟中，相互作用势函数起着至关重要的作用。
常用的相互作用势函数有Lennard-Jones势函数、库仑势函数等。
通过计算相互作用势能，可以获得分子之间的相互作用力，从而模拟分子的运动。
4. 边界条件的设定在分子动力学模拟中，通常需要设定边界条件，以模拟有限的体系。
常用的边界条件有周期性边界条件和固壁边界条件。
周期性边界条件可以模拟无限大的体系，而固壁边界条件则模拟有界的体系。
三、分子动力学的应用1. 材料科学分子动力学可以模拟材料的结构和性质，为材料的设计和开发提供指导。
例如，可以通过模拟纳米材料的热力学性质和力学性能，设计新型材料用于能量存储、传感器等领域。
2. 生物医药分子动力学可以模拟蛋白质、药物和生物大分子的结构和功能，为药物研发和疾病治疗提供指导。
物理化学中的分子动力学
物理化学中的分子动力学在物理化学领域中，分子动力学是一种重要的研究方法，用于揭示分子之间的相互作用和运动规律。
通过模拟和计算分子的运动轨迹，我们可以深入了解物质的性质和行为，为材料科学、生物化学等领域的研究提供有力支持。
一、分子动力学的基本原理分子动力学是基于牛顿力学的一种计算方法，通过求解分子的运动方程，模拟分子在给定条件下的运动轨迹。
其基本原理可以概括为以下几点：1. 分子的力场：分子之间的相互作用力可以通过势能函数来描述，例如分子间的库仑相互作用、范德华力等。
这些力场可以通过实验数据或理论计算得到。
2. 分子的运动方程：根据牛顿第二定律，分子的运动可以由其受到的力和质量决定。
分子动力学模拟通过求解运动方程，得到分子在不同时间点的位置和速度。
3. 时间步长和积分算法：为了模拟分子的运动，需要将时间离散化，即将连续的时间分割为离散的时间步长。
通常使用的积分算法有欧拉法、Verlet算法等，通过迭代计算得到分子在每个时间步长的位置和速度。
二、分子动力学的应用分子动力学在物理化学领域有广泛的应用，以下是几个典型的例子：1. 材料科学：分子动力学可以用于研究材料的力学性质、热传导性能等。
通过模拟材料中原子的运动，可以预测材料的力学响应和热稳定性，为新材料的设计和优化提供指导。
2. 生物化学：分子动力学可以用于研究生物分子的结构和功能。
通过模拟蛋白质、核酸等生物分子的运动，可以揭示其在生物体内的作用机制，为药物设计和疾病治疗提供理论依据。
3. 化学反应：分子动力学可以用于研究化学反应的动力学过程。
通过模拟反应物的运动和相互作用，可以得到反应速率常数、能垒等关键参数，为理解和控制化学反应提供重要信息。
三、分子动力学的挑战和发展尽管分子动力学在物理化学领域有广泛应用，但仍然面临一些挑战和限制。
其中一些包括：1. 计算资源：分子动力学模拟需要大量的计算资源，特别是对于大规模系统和长时间尺度的模拟。
因此，提高计算效率和开发高性能计算方法是当前的研究方向。
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。
分子动力学
分子动力学高中的课程虽然我们都是按部就班的上课，但是如果你真的深入其中就会发现很多乐趣。
这一节课就是我在大学的第一堂有关于分子动力学的课。
老师先给我们讲了他的研究过程和原理。
其实也就是把化学里面的各种元素组合起来形成不同的物质，而我们人体内的分子就像是装满的不同的罐子，看似杂乱无章，但是它们都是一个整体。
我们把它们比作一个球，而细胞中的每一个物质都是一个球，我们把球分成许多小球，这些小球的数量也决定了它们的性质，从一个完全相同的球分出来的几个小球就形成了不同的物质。
而这些不同的物质又通过细胞膜控制着，所以说细胞膜又是一个控制的管道，控制着整个细胞。
我刚进门时，觉得很无聊，因为并没有想象中的那么好玩，也没有认真地听老师讲课。
但是当我开始上课，走向电脑屏幕时，我突然感到神清气爽，心情豁然开朗。
课堂上老师教我们学习分子模型。
其实分子模型就是对一个物质所做的最简单的理解，我们通常用字母和箭头将其标识出来，这样我们才能更直观地去认识一个东西。
而化学家的任务就是对分子模型进行更加精密的分析，从而还原分子内部的组成。
然后，老师让我们打开电脑上的一个页面，里面是很多我们所知道的不同的化学物质的分子模型，我们先开始用鼠标来一个个放大，直到看清楚，然后再点击。
我觉得这一步很难，但是随着慢慢地熟练掌握，我已经能[gPARAGRAPH3]一些难度较高的分子模型了。
我又看了看自己建立的分子模型，很有成就感，而且也开始有点佩服老师了。
我们不停地模拟着分子的形状和构造，并且试着计算它的结构和性质。
我们学习的就是分子的空间排布，所以要考虑空间构造的问题。
听着老师讲解分子结构与功能的关系，我忽然明白了什么是结构决定功能，功能的变化又是如何影响结构的。
我们身边的事物之间就像是彼此连接在一起的链条，而分子又是这些链条中的一环。
只要我们能够找到某种分子的排列方式，就可以对该物质进行快速的检测，并判断出它的功能特征。
我们在生活中总是能遇到或见到各种各样的物质，所以分子模型的运用场景是非常广泛的，不仅能应用于科学技术，也能应用于生活。
forcite分子动力学 流程
forcite分子动力学流程Forcite分子动力学流程。
一、基础了解。
Forcite可是分子动力学模拟里超厉害的一个工具呢。
分子动力学嘛，简单说就是看分子们在一段时间里是怎么跑来跑去、相互作用的。
那Forcite能做这个事儿，咱们就得先知道它的一些基本情况。
它在很多材料科学、化学这些领域都能用得上。
比如说研究新的材料，想知道分子之间的力怎么影响材料的性能呀，或者研究化学反应过程中分子的运动轨迹，这时候Forcite就像一个小侦探一样，可以帮我们找到答案。
二、准备工作。
在开始用Forcite做分子动力学模拟之前，得先准备好分子结构。
这就像是要做饭，得先把食材准备好一样。
我们得知道要研究的分子长啥样，原子之间是怎么连接的。
有时候这个分子结构可能是从数据库里找出来的，就像去超市买菜一样方便。
但有时候呢，得自己构建，这就有点考验咱们的本事啦。
比如说用一些建模软件把分子一点一点搭起来，就像搭积木一样。
而且呀，还得确定这个分子的初始状态，是静止的呢，还是已经有了一定的速度和方向。
这就好比是决定这个分子是在原地休息，还是已经开始奔跑了。
三、选择力场。
力场这个东西呢，对于Forcite分子动力学模拟可重要啦。
力场就像是分子们遵循的一套规则，告诉它们怎么相互作用。
有各种各样的力场可以选择，像COMPASS力场就很常用。
不同的力场适用于不同类型的分子。
就好像不同的游戏有不同的规则一样。
如果选错了力场，那模拟出来的结果可能就会很奇怪，就像在足球比赛里用篮球的规则一样，那肯定是不行的。
所以呢，得根据自己要研究的分子特性来选择合适的力场。
这就需要我们对分子和力场都有一定的了解，就像了解自己的朋友有什么喜好一样。
四、设定模拟参数。
这一步也很关键哦。
要设定好多参数呢，比如说模拟的时间步长。
这个时间步长就像是我们拍照的间隔时间。
如果时间步长太大，就像隔了很久才拍一张照片，可能会错过分子之间一些很精彩的瞬间，模拟结果就不准确了。
分子动力学入门第三章
第三章：跑动，测量，分析在这一章我们将讨论怎样处理分子动力学程序：我们怎样开始模拟我们怎样控制模拟，例如探索一个物质的相图我们怎样从模拟中提取结果，以及一些其他的话题。
3.1 模拟的启动开始模拟，我们必须设置一个MD盒子，设置粒子的速度和位置。
有两种普遍做的方法：3.1.1 从scratch开始如果我们从scratch（随便）开始，我们必须创造一系列的起始位置和速度。
位置通常在一个晶格上决定，假设一个确定的晶体结构。
这个结构在T=0时最稳定，具有给定的势能。
起始速度也许是0，或者从麦克斯韦速度分布中获得（下面会讨论）。
这种起始状态当然不符合平衡条件。
但是，一旦跑到平衡通常需要100 time step 的数量级。
在起始的样本中必须引进一些随机量。
如果我们不这样做，所有的原子是对称等价的，运动方程不会有何变化，因为他们按相同的方式演化。
对于完美晶体，由于对称性，所用原子上的作用力净为0，因而，原子将无限制的静止。
常用引进随机部分的方法：1）在晶格位置增加一小部分的随机移位。
移位的幅度不要太大，为了避免原子核的重叠。
少量的晶格间隔通常就足够啦。
2）起始的速度是由麦克斯韦速度分布在确定的温度下决定的。
但是这样做系统将会有一个小的linear动量，引起整个系统的平移。
由于这是不适合拥有的，通常在实际中减去每个粒子的速度，从而使系统的起始总动量为0.起始的随机化，是唯一的方法使分子动力学模拟具有“chance”。
接下来时间的演化完全决定一切。
3.1.2模拟的延续例外一个获得起始位置和速度的可能就是利用先前MD的最后的位置和速度。
这种办法起始在实际实验中普遍运用。
例如，如果我们要在不同温度下进行“测量”，标准的步骤就是设置一个“chain of run”，每个起点温度都是从进程中最后的温度那获得的（加热就更高，冷却就更低）3.2系统的控制在分子动力学模拟过程中，系统在某个状态具有一特定的密度，温度，压力（这些量的计算会在下面介绍）：模拟材料的相图可以被研究。
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。
分子动力学计算
分子动力学计算分子动力学计算（MolecularDynamics，MD）是一种用于模拟分子系统动力学过程的计算技术。
它是20世纪70年代发展起来的，当时多位科学家对分子间的交互力和动力学过程进行了分子动力学研究，并建立起来了一种新的科学模型，即用于模拟分子间相互作用的称为Lennard-Jones势函数的函数，用于计算分子间的力和动力学过程。
从那时起，分子动力学计算就被认为是研究分子尺度物理化学过程的一种有效的方法。
简单来说，分子动力学计算是通过计算分子间的力和运动过程来模拟物理化学过程的。
在分子动力学计算中，将分子尺度研究所面临的问题看成了一个由多个粒子构成的分子系统，而这些粒子又由许多相互作用的分子构成。
将这个分子系统的时间发展看作是该系统强迫的状态变化，而这些强迫是由相互作用的分子产生的，因此，分子动力学计算的过程就是模拟如何由这些分子的动力学过程来影响分子系统的状态变化。
分子动力学计算的核心思想是将系统分为几个分子组成的分子集，每个分子集由若干原子或分子组成，然后利用模拟过程模拟分子间的相互作用力，建立分子间的动力学方程，结合时间发展，模拟系统的时间变化。
在实际的计算中，分子动力学计算的步骤主要分为：给定初始条件，比如温度、密度等；计算分子间的力、能量和动力学过程；计算系统的时间发展，模拟系统的动力学过程；利用动力学过程计算系统的结构和性质。
分子动力学计算作为一种模拟技术，在化学、物理和生物学研究中都有着重要的应用。
它可以用来模拟分子结构与属性之间的关系，模拟系统的可能状态变化，以及分子的形状、力学属性、活性表面性质等。
有了分子动力学计算，我们可以得到一些以前无法从实验中获得的结果，也可以提供一些有用的信息，比如材料活性表面的性质等，这都有助于我们更好地了解物理化学过程，实现更好的制备材料和制备新药物。
总的来说，分子动力学计算是一种有效的用于研究分子尺度物理化学过程的计算方法，它结合了力学、电子学、量子力学、统计物理学以及相关的数值方法，提供了大量的定量结果。
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像胞元
非周期边界条件
• 分子体系的模拟并不是都使用周期性边界条件，在 很多情况下，如溶液中沉淀的分子团簇、蛋白质分 子、病毒分子、材料的表面等并不需要周期性边界 条件。
• 可以根据分子体系所处的外界环境对非周期边界上 的粒子施加一定的限制。
占用了一定量的计算机内存。分子数较时， 此方法具有一定的优势
RList
Update interval
No
-
2.60
5.78
2.70
12.50
2.90
26.32
3.10
43.48
3.43
83.33
3.50
100.00
Time N=256 N=500
3.33
10.00
2.24
4.93
2.17
4.55
2.28
分子动力学模拟的基本过程
黄敏生
基本步骤
A.原子位置的初始化
• 建立分子动力学模拟过程的首要问题和第 一步是确定分子体系的初始条件。
• 两种方式，一是采用实验数据，二是借助 各种理论模型得到分子结构的几何参数， 如面心立方(FCC)模型等。
A.原子位置的初始化
• 1.无论采取哪种方法，给定分子结构的空间坐 标都不一定处在分子力场最稳定的位置，即 各原子并非处在平衡态，造成体系的能量比 较高。
• 设想研究对象为N个原子构成的粒子系统，由 于要计算每个原子与其余原子间的距离，因 此需要计算N(N-1)次原子间距，计算量随系 统规模的增大成几何次增大。
❖Verlet近邻表
❖网格近邻表
近邻表 ❖Verlet近邻表 • 最早由Verlet提出
首先通过建立链表记录各原子周围(截断 半径:rc)区域内的所有原子，然后通过链表 计算各分子所受到的作用力。 为了计算原子1所受的作用力。假定一个 球形的区域，半径为r1，且r1>rc。(rc为截 断半径)，并给截断半径rc区域内的分子建立 一个链表。 当截断半径rc范围内的分子没有离开r1球 形区域时，只需要根据链表中的分子，即可 计算出分子1所受到的作用力。 如果截断半径rc范围内的分子离开了r1， 球形区域，则需要建立新的链表，即在计算 过程中，每隔一定时间，更新列表。
• 2.要进行一个不施加载荷的弛豫过程，使得系 统达到稳定的平衡状态（共轭梯度法）。
• 3.在这个过程中，系统从人为的初始构形转变 成真实初始构形，势能减小并达到稳定。
• 4.初始条件最好与真实构形类似，FccBCC, 固体结果影响较大，气体影响较小。
A.原子速度的初始化
• 1.为使模拟尽快达到平衡，分子初始速度的 分布应该尽量接近真实情形。
• 例如，边界上的原子设计为位置固定的，就可以形 成刚性边界。（原子始终不动）
• 对边界上的原子施加一定荷载或考虑边界上原子与 外界环境之间的作用力，就形成阻尼边界
❖力场的截断
在分子动力学中，出于计算上的考虑，力场的截 断是必须的，即在某一范围内力场是有效的，因 此会导致一些计算上的困难。
势函数直接截断：
平
正则系综
保持不变。又称为NVT系综。保持温度不变虚拟 热浴系统动能固定原子速度保持不变，又称为
等温等压系综 NPT系综。压强P与体积共轭，控压可以通过标度
• 与邻域列表法相比，此方法不占用多余内存，在 进行大规模分子系统模拟时，此方法可以明显的 减少计算量。
近邻表 ❖网格近邻表
单位的无量纲化
• 在模拟中涉及很多浮点和指数运算，为提 高计算效率，往往将温度、密度、压力等 类似量表示成无量纲的形式。
以Lennard-Jones势为例
一种合适但不唯一的 基本单位取为：
• 2.采用近似的Maxwell-Boltzmann统计分布 来赋予原子的初始速度是比较合理的。能 够使得系统尽快弛豫。
x,[0,1]范围内的随机数
0，2Pi随机数
速度的高斯分布
A初始条件二
• 1.在满足以上温度的条件下，必须保证系统 净总动量为零。
• 2.另一种获得初始条件的方法是选取模拟过 程某一时刻的原子坐标和速度。
VS(rij)V0(rij)-Vc
rijrc ri j rc
❖力场的截断
力场连续的势函数截断：
VS(rij) V(rij)-Vc(dV dr(irjij))rijrc(rijrc) 0
rijrc rijrc
近邻表
• 虽然引入了阶段半径的概念，但然而计算原 子间的距离需要耗费大量的CPU时间。
势阱常数
平衡常数
系综
平衡分子动力学模拟，总是在一定的系综下进行的。
微正则系综
系统原子数N，体积V，能量E保持不变。又称为 NVE系综。孤立、保守的系统。一般说，给定能量 的精确初始条件是无法得到的。能量的调整通过对 速度的标度进行，这种标度可能使系统失去平衡， 迭代弛豫达到平衡。
系统原子数N，体积V，温度T保持不变，且总动量
4.51
2.47
4.79
2.89
-
-
5.86
近邻表 ❖Verlet近邻表算法
近邻表 ❖Verlet近邻表—周期性
方法（a） 方法（b）
近邻表 ❖网格近邻表
ಧ 这种方法的思想是将研究对象看成一个方盒，将这一方盒划分 为M×M×M个单元（cell），每个单元的边长必须大于势函数 的截断半径。
ಧ 与单元13内的原子间距小于截断半径的其它原子必然在单元13 与其邻近单元7，8，9，12，13，14，17，18，19共9个单元内。
ಧ 由于每个单元内原子数为Nc=N/M2，因此对每个原子只要计算 9Nc个原子间距，对整个原子系统就要计算9NNc个原子间距。 对三维结构则要计算27NNc个原子间距（Nc=N/M3）。
ಧ 关于原子间距的计算量就与微结构的尺度即原子系统的原子数 N成正比。
近邻表 ❖网格近邻表
• 在计算过程中，每次更新原子位置时，将跨越本 网格边界的原子从网格中删除，将其插入到相应 的邻近网格中。
• 3.分子动力学模拟经常分成不同的物理阶段 进行，上一个模拟过程结束时的原子位置 和速度就可以作为下一次模拟的初始条件。
边界条件
• 分子动力学模拟中，只有足够的粒子数量， 才能准确的描述材料的宏观性能。
• 为了减小计算规模，人们引入了周期性、固 定、全反射等边界条件。目前常用的边界条 件包括周期性边界条件、对称边界条件和固 定边界条件。