分子模拟原理及应用PPT课件
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《分子模拟教程》PPT课件_OK
❖ 尤其适用于研究纯流体或混合物的相平衡问题； ❖ 此方法不能用于涉及到非常稠密流体的相平衡问题； ❖ 此方法能同时获得共存相的各自密度及其组成； ❖ 此方法避免了共存相界面的问题。
17
GEMC 的配分函数
对于原子系统，位型（构型）的配分函数
Q(N,V1,V2 ,T )
N
V N1 1
(V
V1 ) N N1
复杂流体如：胶体悬浮液、高分子溶液、 表面活性剂溶胶等。
❖ 超临界过程研究中的应用
37
❖ 在多相催化研究中的应用：
➢ 对催化剂进行表征 ➢ 表面吸附与脱附过程及表面性质的模拟 ➢ 催化剂表面反应机理的模拟
38
5.3 介观层次材料的计算机模拟
结构是多层次、多尺度的，并且不仅要研究平衡结构， 还要研究结构随时间的演变。所谓结构，就是粒子在空 间有规律的分布。（胡英院士）
N
exp[U (s N )]
14
Metropolis GCMC algorithm
产生巨正则系综的马尔可夫链的过程涉及到典型的、 三种不同的随机移动：
❖ Attempt to move a particle (just like canonical MC)
❖ Attempt to create a particle ❖ Attempt to delete a particle
19
各种随机移动的概率：
Pmove (m n) min{1, exp[Unm / kT]}
Pvolume (m n) min{1,
change
(V1n ) N1 (V - Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn ) N-N1 (V1m ) N1 (V - V1m ) N-N1
exp[Unm / kT]}
17
GEMC 的配分函数
对于原子系统，位型（构型）的配分函数
Q(N,V1,V2 ,T )
N
V N1 1
(V
V1 ) N N1
复杂流体如：胶体悬浮液、高分子溶液、 表面活性剂溶胶等。
❖ 超临界过程研究中的应用
37
❖ 在多相催化研究中的应用：
➢ 对催化剂进行表征 ➢ 表面吸附与脱附过程及表面性质的模拟 ➢ 催化剂表面反应机理的模拟
38
5.3 介观层次材料的计算机模拟
结构是多层次、多尺度的，并且不仅要研究平衡结构， 还要研究结构随时间的演变。所谓结构，就是粒子在空 间有规律的分布。（胡英院士）
N
exp[U (s N )]
14
Metropolis GCMC algorithm
产生巨正则系综的马尔可夫链的过程涉及到典型的、 三种不同的随机移动：
❖ Attempt to move a particle (just like canonical MC)
❖ Attempt to create a particle ❖ Attempt to delete a particle
19
各种随机移动的概率：
Pmove (m n) min{1, exp[Unm / kT]}
Pvolume (m n) min{1,
change
(V1n ) N1 (V - Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn ) N-N1 (V1m ) N1 (V - V1m ) N-N1
exp[Unm / kT]}
第六章 分子动力学模拟ppt课件
2.4 Equations of motion
分子动力学模拟
为了在计算机上解运动方程，必须为微分方程建立一个 有限差分格式，从差分方程中再导出位置和速度的递推关系 式。这些算法是一步一步执行的，先算t 时刻的位置和速度， 然后在此基础上计算t+1时刻的位置和速度。
微分方程最为直接的离散化格式来自泰勒展开: r(th)r(t)n i 1 1hi!ir(i)(t)Rn
1.5
1
间间
0.5
rij 6 2
0
-0.5
-1
0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8 间间
2
2.2 2.4 2.6
对势能的最大贡献来自于粒子的近邻区域，位势截断
常用的方法是球形截断，截断半径一般取2.5σ或3.6 σ，对
截断距离之外分子间相互作用能按平均密度近似的方法进
行校正。
分子动力学模拟
The disk processed after the simulation is finished. It contains at least all the positions and velocities of all particles. This information is sufficient to calculate all the properties of the system. However, it is more economical to calculate properties during the simulation and store them in the than reading the calculating them afterwards.
➢二、分子动力学方法
分子模拟原理及应用
Bi2Te3 属于斜方晶系, 通常为了方便起见可以将其视为六面体的层 状结构, 在该结构的同一层上具有相同的原子种类。沿着z轴的方向看, 原子按照如下方式排布: Te1—Bi—Te2—Bi—Te1。 如图1 所示, Te1原子最近邻为相邻层的3个 Bi原子和3个Te1原子, Te2原子的最近邻为 相邻层的6个Bi原子。其中Te2—Bi 键为共 价键, Te1—Bi 键为共价键和离子键, 相邻 层Te1—Te1之间的相互作用则比较弱, 主要 是范德华力。因此Bi2Te3晶体极易在此面 发生解理。
������ σij = -1/V Σ ( Mαviαvjα+1/2ΣFiαβrjαβ) ……………………… (1)
式中, V 为模拟系统盒子的体积, viα为原子α在i 方向的速度分量, Fi αβ为 α和β原子在i 方向的相互作用力, rjαβ 为α和β原子在j 方向的距离。可以 看出表达式( 1) 计算了模拟系统体积内原子的平均应力。式中第一项为 与原子热运动相关的动能项, 第二项为与变形相关的势能项。
Bi2Te3的分子动力学模拟
姓名：刘晓 学号：2013207248 班级：应用化学1班 专业：电化学 学院：化工学院
主要内容：
1.分子模拟技术的概述； 2.含圆孔Bi2Te3 单晶拉伸变形的分子动力学模拟； 3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟。
1. 分子模拟技术的概述
1.1 分子模拟的概念 分子模拟是80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，是
同时发现在线弹性阶段原子排列始终保持规则形状, 圆孔边 缘存在应力集中。破坏发生时, 在应力集中部位突然出现裂缝, 并 逐渐迅速向模型外部边缘扩展直至断裂。
由应力-应变曲线以及拉伸过程中的原子构型变化可以看出 含孔Bi2Te3 单晶材料单轴拉伸的破坏形式表现为脆性断裂的特征。
������ σij = -1/V Σ ( Mαviαvjα+1/2ΣFiαβrjαβ) ……………………… (1)
式中, V 为模拟系统盒子的体积, viα为原子α在i 方向的速度分量, Fi αβ为 α和β原子在i 方向的相互作用力, rjαβ 为α和β原子在j 方向的距离。可以 看出表达式( 1) 计算了模拟系统体积内原子的平均应力。式中第一项为 与原子热运动相关的动能项, 第二项为与变形相关的势能项。
Bi2Te3的分子动力学模拟
姓名：刘晓 学号：2013207248 班级：应用化学1班 专业：电化学 学院：化工学院
主要内容：
1.分子模拟技术的概述； 2.含圆孔Bi2Te3 单晶拉伸变形的分子动力学模拟； 3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟。
1. 分子模拟技术的概述
1.1 分子模拟的概念 分子模拟是80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，是
同时发现在线弹性阶段原子排列始终保持规则形状, 圆孔边 缘存在应力集中。破坏发生时, 在应力集中部位突然出现裂缝, 并 逐渐迅速向模型外部边缘扩展直至断裂。
由应力-应变曲线以及拉伸过程中的原子构型变化可以看出 含孔Bi2Te3 单晶材料单轴拉伸的破坏形式表现为脆性断裂的特征。
《分子模拟方法》课件
加速研发进程
分子模拟可以大大缩短药 物研发、材料合成等领域 的实验周期，降低研发成 本。
揭示微观机制
通过模拟，可以揭示分子 间的相互作用机制和反应 过程，有助于深入理解物 质的性质和行为。
分子模拟的发展历程
经典力学模拟
基于牛顿力学，适用于 较大分子体系，但精度
较低。
量子力学模拟
适用于小分子体系，精 度高，但计算量大，需
详细描述
利用分子模拟方法，模拟小分子药物与生物大分子（如蛋白质、核酸等）的相 互作用过程，探究药物的作用机制和药效，为新药研发提供理论支持。
高分子材料的模拟研究
总结词
研究高分子材料的结构和性能，优化 材料的设计和制备。
详细描述
通过模拟高分子材料的结构和性能， 探究高分子材料的物理和化学性质， 优化材料的设计和制备过程，为新材 料的研发提供理论指导。
分子动力学方法需要较高的计算资源和 精度，但可以获得较为准确的结果，因 此在计算化学、生物学、材料科学等领
域得到广泛应用。
介观模拟的原理
介观模拟是一种介于微观和宏观之间的模拟方 法，通过模拟一定数量的粒子的相互作用和演 化来研究介观尺度的结构和性质。
介观模拟方法通常采用格子波尔兹曼方法、粒 子流体动力学等方法，适用于模拟流体、表面 、界面等介观尺度的问题。
分子模拟基于量子力学、经典力 学、蒙特卡洛等理论，通过建立 数学模型来描述分子间的相互作
用和运动。
分子模拟可以用于药物研发、材 料科学、环境科学等领域，为实 验研究和工业应用提供重要支持
。
分子模拟的重要性
01
02
03
预测分子性质
通过模拟，可以预测分子 的性质，如稳定性、溶解 度、光谱等，为实验设计 和优化提供指导。
分子动力学模拟入门ppt课件
0.5 μm
Fig. 2. The effect of converging geometry obtained by MD simulation
of one million particles in the microscale.
34
Dzwinel, W., Alda, W., Pogoda, M., and Yuen, D.A., 2000, Turbulent mixing in the microscale: a 2D molecular dynamics
r r
V (r)
4
r
1
/
12
r
1
/
6
记 V / V；r / r
9
分子间势能及相互作用
▪ 一些气体的参数
Neon (nm) 0.275 /kB(K) 36
Argon Krypon Xenon Nitrogen
0.3405 0.360 0.410 0.370
119.8 171 221
i
m vi2
22
i
宏观性质的统计
▪ 系统的势能
Ep
V (rij )
1i j N
▪ 系统的内能
Ek
i
p2 2mi
▪ 系统的总能 E = Ep+Ek
▪ 系统的温度
1
T dNkB
i
mivi2
23
模拟
• 热容 定义热容
E：系统总能
Cv
E T
V
计算系统在温度T和T+T时的总能ET、ET +T，
26
模拟
模拟
▪ 气、液状态方程
维里定理(Virial Theorem)
分子模拟PPT—第五章 分子动力学模拟运用
P (r, t ) = (4π Dt )
−1/ 2
r2 exp(− ) 4 Dt
1 < r (t ) >= 2Dt = ∑(ri (t))2 N 1 D= (ri (t ))2 ∑ 2Nt
2
பைடு நூலகம்散系数
D
< r 2 (t ) >=
1 N
∑ (r (t ))
i
2
= 2 Dt
r2
<r2> 对t¥ 图给 扩 3D –空间, 均
导热性
∞ 1 d 1 2 λT = dτ < qz (0)qz (τ ) > qz = ∑ zi miυi + ∑υ (rij ) 2 ∫ dt i 2 Vk BT 0 i≠ j
相关函数的应用
速度相关函数功率谱
1 I (ω ) = Re 2π
∫
∞
0
υ (t ) ⋅υ (0) e dt v v
v v rab ⋅ rac = rab ⋅ rac v v rabc ⋅ rbcd = rabc ⋅ rbcd
键角：cos θbac
cosτ abcd 二面角：两个面法线的交角 法线向量方向：平面内非平行两向量的差乘
v v v rabc = rab × rbc
误差分析
σA
N ( A(i ) − A ) 2 ∑i =1
A(5∆t ) A(0)
A0A5 + A1A6 + A2A7 + A3A8 + A4A9 +...
自相关函数的计算
最有效的方法 : FFT (Fast Fourier Transform)
傅立叶变换/傅立叶反变换
ˆ C (ν ) = ∑ C (τ ) exp(−i 2πντ / n)
−1/ 2
r2 exp(− ) 4 Dt
1 < r (t ) >= 2Dt = ∑(ri (t))2 N 1 D= (ri (t ))2 ∑ 2Nt
2
பைடு நூலகம்散系数
D
< r 2 (t ) >=
1 N
∑ (r (t ))
i
2
= 2 Dt
r2
<r2> 对t¥ 图给 扩 3D –空间, 均
导热性
∞ 1 d 1 2 λT = dτ < qz (0)qz (τ ) > qz = ∑ zi miυi + ∑υ (rij ) 2 ∫ dt i 2 Vk BT 0 i≠ j
相关函数的应用
速度相关函数功率谱
1 I (ω ) = Re 2π
∫
∞
0
υ (t ) ⋅υ (0) e dt v v
v v rab ⋅ rac = rab ⋅ rac v v rabc ⋅ rbcd = rabc ⋅ rbcd
键角：cos θbac
cosτ abcd 二面角：两个面法线的交角 法线向量方向：平面内非平行两向量的差乘
v v v rabc = rab × rbc
误差分析
σA
N ( A(i ) − A ) 2 ∑i =1
A(5∆t ) A(0)
A0A5 + A1A6 + A2A7 + A3A8 + A4A9 +...
自相关函数的计算
最有效的方法 : FFT (Fast Fourier Transform)
傅立叶变换/傅立叶反变换
ˆ C (ν ) = ∑ C (τ ) exp(−i 2πντ / n)
《分子模拟设计》课件
《分子模拟设计 》ppt课件
目录
• 分子模拟设计概述 • 分子模拟设计的基本方法 • 分子模拟设计的应用领域 • 分子模拟设计的挑战与展望 • 分子模拟设计案例分析
01
CATALOGUE
分子模拟设计概述
定义与特点
定义
分子模拟设计是指利用计算机模 拟技术，对分子结构和性质进行 预测和设计的过程。
蒙特卡洛模拟
总结词
基于概率统计的模拟方法
详细描述
蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的模拟方法，通过随机抽样和统计计算来获 得系统的性质。该方法适用于模拟复杂系统，能够考虑系统的随机性和不确定 性。
分子力学模拟
总结词
基于势能函数的模拟方法
详细描述
分子力学模拟是一种基于势能函数的模拟方法，通过势能函数来描述分子间的相互作用和分子结构。该方法适用 于快速计算分子的结构和性质，常用于药物设计和材料科学等领域。
材料的界面行为等多个方面。
高分子材料的模拟设计有助于缩短新材料研发周期、 降低研发成本，提高新材料开发的成功率。
高分子材料的模拟设计是利用分子模拟技术对 高分子材料的结构和性质进行预测和优化的一 种方法。
通过模拟高分子材料的结构和性质，可以预测材 料的力学性能、热性能、电性能等，从而优化材 料的设计和制备工艺。
在生物大分子模拟中，研究人员可以使用分子模拟设计来研究蛋白质、 核酸和糖等生物大分子的结构和动力学性质。
这有助于理解这些大分子在细胞中的功能和相互作用的机制，以及与疾 病相关的生物大分子的异常行为。
04
CATALOGUE
分子模拟设计的挑战与展望
计算资源的限制
计算资源不足
高性能计算机和计算集群的资源有限，难以满足 大规模分子模拟的需求。
目录
• 分子模拟设计概述 • 分子模拟设计的基本方法 • 分子模拟设计的应用领域 • 分子模拟设计的挑战与展望 • 分子模拟设计案例分析
01
CATALOGUE
分子模拟设计概述
定义与特点
定义
分子模拟设计是指利用计算机模 拟技术，对分子结构和性质进行 预测和设计的过程。
蒙特卡洛模拟
总结词
基于概率统计的模拟方法
详细描述
蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的模拟方法，通过随机抽样和统计计算来获 得系统的性质。该方法适用于模拟复杂系统，能够考虑系统的随机性和不确定 性。
分子力学模拟
总结词
基于势能函数的模拟方法
详细描述
分子力学模拟是一种基于势能函数的模拟方法，通过势能函数来描述分子间的相互作用和分子结构。该方法适用 于快速计算分子的结构和性质，常用于药物设计和材料科学等领域。
材料的界面行为等多个方面。
高分子材料的模拟设计有助于缩短新材料研发周期、 降低研发成本，提高新材料开发的成功率。
高分子材料的模拟设计是利用分子模拟技术对 高分子材料的结构和性质进行预测和优化的一 种方法。
通过模拟高分子材料的结构和性质，可以预测材 料的力学性能、热性能、电性能等，从而优化材 料的设计和制备工艺。
在生物大分子模拟中，研究人员可以使用分子模拟设计来研究蛋白质、 核酸和糖等生物大分子的结构和动力学性质。
这有助于理解这些大分子在细胞中的功能和相互作用的机制，以及与疾 病相关的生物大分子的异常行为。
04
CATALOGUE
分子模拟设计的挑战与展望
计算资源的限制
计算资源不足
高性能计算机和计算集群的资源有限，难以满足 大规模分子模拟的需求。
分子动力学模拟.pptx
这种系综称巨正则系综。
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，一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后 要赋 予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成，由于速度的分
布符合 玻尔兹曼统计，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
能说关注的切入点不同罢了。常见的有三类力场：全原子力场，联合力场，粗粒化力场；当
然还有所谓的第一代，第二代，第三代力场的说法，这里就不一一列举了。
再次提醒注意：必须选择适合我们所关注体系和我们所感兴趣的性质及现象的力场。 3 通过实验数据或者是某些工具得到体系内的每一个分子的初始结构坐标文件，之后，
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 等势模型的应用仍非常广泛。 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，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，而这 种运动对计算某些宏观性质并不产生影响5 年：第一原理分子动力学法（→カー・パリネロ法）
1991 年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综，即为组成系综的系统与一温度为 T、化学势为μ的很大的热源、粒子源 相接触，此时系统不仅同热源有能量交换，而且可以同粒子源有粒子的交换，最后达到平衡，
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，一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后 要赋 予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成，由于速度的分
布符合 玻尔兹曼统计，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
能说关注的切入点不同罢了。常见的有三类力场：全原子力场，联合力场，粗粒化力场；当
然还有所谓的第一代，第二代，第三代力场的说法，这里就不一一列举了。
再次提醒注意：必须选择适合我们所关注体系和我们所感兴趣的性质及现象的力场。 3 通过实验数据或者是某些工具得到体系内的每一个分子的初始结构坐标文件，之后，
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 等势模型的应用仍非常广泛。 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，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，而这 种运动对计算某些宏观性质并不产生影响5 年：第一原理分子动力学法（→カー・パリネロ法）
1991 年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综，即为组成系综的系统与一温度为 T、化学势为μ的很大的热源、粒子源 相接触，此时系统不仅同热源有能量交换，而且可以同粒子源有粒子的交换，最后达到平衡，
最新分子模拟技术导论教学讲义ppt课件
本章要求
Xi’an University of Science & Technology
教学目的
演示： 让学生了解分子模拟技术的最新进展与应用
教学要求
掌握 分子模拟技术中常用的方法原理； 精通 HyperChem 软件的操作； 探索 对一些反应过程进行分子动力学模拟尝试； 延伸 利用分子模拟技术设计防晒剂 （课外科技活动）
Dept. of Chemical Science & Engineering
Email: Jansweili@ Phone: 029—85583997
2. 分子模拟技术的计算方法
Xi’an University of Science & Technology
量子力学方法
量子力学方法是基于量子力学的分子模拟，它借助计算分子结 构中各微观参数，如电荷密度、键序、轨道、能级等与性质的 关系，设计出具有特定性能的新分子。它们的共同点是对电子 的相互作用采用量子化学的知识进行描述，而不是采用经验性 的势能函数来表示，这种方法有很强的理论基础。
著名的从头计算程序有系列Gaussian程序
Gaussian 98
Gaussian 2003等
ChemComp
Dept. of Chemical Science & Engineering
Email: Jansweili@ Phone: 029—85583997
2. 分子模拟技术的计算方法
Xi’an University of Science & Technology
半经验方法
是对从头计算中的许多积分采用经验参数替代的简化方法，所使用的 经验参数是通过对实验数据的拟合得到的。半经验方法采用了价电子 近似，假定分子中各原子的内层电子可以看作对分子不极化的原子实 的一部分，而只处理价电子，这样进一步减少了计算时间。主要用于 计算构象能与结构的Ｘ射线结果分析，以此分析平衡态性质
生化分子的模拟ppt课件
脂质分子的自组装细胞膜多由双层的脂质分子自组装而成。
第 所谓自组装意为分子与分子间并无化学键结存
八 章
在，而是靠范德瓦尔斯作用力、氢键作用力等 微弱的作用力形成规则的聚集排列。
双层的脂质分子与水的作用
在此系统中纳入水分子是非常重要的,因为
DMPC的亲水端及疏水部分与水的作用而导致形
第 成稳定的双层脂膜。
规则,并无一定的对称性.其中最常见
第
结构形式为α-螺旋形及β-股结构形.这
八
两种结构形式称为蛋白质二级结构。
章
蛋白质的三级结构
常见的蛋白质分子的立体结构多为纤维状或球 状,这样的结构称为蛋白质的三级结构.例如肌红素
第 八 章
蛋白质的四级结构
除了蛋白质的三级结构外,还有四级结构。例如 许多多肽是由2条或更多的三级结构所组成。组成 第 四级结构的多肽链称为亚单位。如血红素
第 不同,以至造成不同的生化特性。
八 章
多肽分子链之间在固定的位置以双硫键互相连接, 形成一定的氨基酸顺序结构----蛋白质的一级结构。
多肽及蛋白质分子的生化特性与分子的结构有 密不可分的关系。此处结构除了组成的氨基酸序 列外，还包括分子三度空间的立体排列方式。
蛋白质的二级结构
实验显示蛋白质分子的结构非常不
八
章
在生化体系中，两个疏水性的表面间
存在很强的吸附作用。Luzar等根据简单
模拟结果，认为界面接近时其间的水分
子被排斥出去而形成无水的疏水区域。
α 2D蛋白质分子为人工合成专为研究 所用的小蛋白质分子,这种蛋白质称为 de Novo蛋白质。
α2D的分子结构及其镶嵌
第
时当,会两形个成α两2D个分U子形堆分栈子 交错嵌入的结构,而分子
第 所谓自组装意为分子与分子间并无化学键结存
八 章
在，而是靠范德瓦尔斯作用力、氢键作用力等 微弱的作用力形成规则的聚集排列。
双层的脂质分子与水的作用
在此系统中纳入水分子是非常重要的,因为
DMPC的亲水端及疏水部分与水的作用而导致形
第 成稳定的双层脂膜。
规则,并无一定的对称性.其中最常见
第
结构形式为α-螺旋形及β-股结构形.这
八
两种结构形式称为蛋白质二级结构。
章
蛋白质的三级结构
常见的蛋白质分子的立体结构多为纤维状或球 状,这样的结构称为蛋白质的三级结构.例如肌红素
第 八 章
蛋白质的四级结构
除了蛋白质的三级结构外,还有四级结构。例如 许多多肽是由2条或更多的三级结构所组成。组成 第 四级结构的多肽链称为亚单位。如血红素
第 不同,以至造成不同的生化特性。
八 章
多肽分子链之间在固定的位置以双硫键互相连接, 形成一定的氨基酸顺序结构----蛋白质的一级结构。
多肽及蛋白质分子的生化特性与分子的结构有 密不可分的关系。此处结构除了组成的氨基酸序 列外，还包括分子三度空间的立体排列方式。
蛋白质的二级结构
实验显示蛋白质分子的结构非常不
八
章
在生化体系中，两个疏水性的表面间
存在很强的吸附作用。Luzar等根据简单
模拟结果，认为界面接近时其间的水分
子被排斥出去而形成无水的疏水区域。
α 2D蛋白质分子为人工合成专为研究 所用的小蛋白质分子,这种蛋白质称为 de Novo蛋白质。
α2D的分子结构及其镶嵌
第
时当,会两形个成α两2D个分U子形堆分栈子 交错嵌入的结构,而分子
《分子模拟教程》课件
人工智能与机器学习应用
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
分子模拟的原理及应用-陈正隆
s in 2 s in n
2
0 2
cos(n )
ESFF力场
静电作用能
E
i
(Ei0
i qi
1 2
i
qi2
)
i j
B
qiq j Rij
拟合计算的物理量以决定力场参数 ◎不同的力场, 针对特殊的体系与物理特性
第一代力场
MM 形态力场: Allinger, MM2, MM3, 有機分子, 聚合物 AMBER 力场: Peter Kollman
(Assisted Model Building with Energy Minimization) 蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子。 CHARMM 力场: Martin Karplus ( Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics) 蛋白质, 核酸, 多醣等生化分子 CVFF 力场: Dauber Osguthope (Consistent Valence Force Field) 以生化分子为主,适用于胺基酸, 水, 及各种官能基。各种
力场参数全来自计算结果与实验值的比对
第二代力场
CFF91力场:
碳氢化合物, 蛋白质, 蛋白质-配位基。含 H, Na, Ca, C, Si, N, P, O, S, F, Cl, Br, I, Ar 等原子参数。
PCFF 力场: 由 CFF91 力场衍生而出,
聚合物及有机物, 多糖类 (polysaccharides), 碳水 化合物, 脂肪类, 核酸, 有机物, 20 种无机物。除 CFF91 力场参数外, PCFF 含有 He, Ne, Kr, Xe 等钝气原子及 Li, K, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Sn, Pb 等金属原子的力场参数。
分子模拟PPT—第一章 概论
Kohn 和 Pople, 表彰他们在开拓用于 分子性质及其参与化学过程研究的理论 和方法上的杰出贡献。
对1998 年诺贝尔化学奖 划时代的评价
瑞典皇家科学院的评价：
“ ··量子化学已发展成为广大化学家都能使用 · 的工具，将化学带入一个新时代 — 实验 与理论能携手协力揭示分子体系的性质。 化学不再是一门纯实验科学了”
I2 在 光 滑 球 模 型
不 Ar 同溶 半剂 径中 光的 滑振 球动 内弛 豫 时 间
Radius / nm 1.2 1.5 1.8 2.2 Shift / cm-1 1.20 1.79 1.76 1.75
受限于不同半径的光滑球内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移
单 壁 碳 纳 米 管 模 型
Radius / nm Shift / cm-1
0.68 (10,10)
1.02 (15,15) 1.36 (20,20) 1.70 (25,25) 2.04 (30,30)
3.42
3.53 3.54 3.55 3.55
受限于不同半径的碳纳米管内I2在 Ar溶剂中的振动光谱位移密度为0.5 g/cm3
纳米反应器
自然界生命体系中的化学变化 绝佳的反应环境
R
+
R
R
R R
product shape selectivity
• “三十年前，如果说并非大多数化学家，那末至少 是有许多化学家嘲笑量子化学研究，认为这些工 作对化学用处不大，甚至几乎完全无用。现在的 情况却是完全两样了…。当90年代行将结束之际， 我们看到化学理论和计算研究的巨大进展，导致 整个化学正在经历一场革命性的变化。Kohn和 Pople是其中的两位最优秀代表”
1986：李远哲：“ 在十五年前，如果理论 结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错 了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。… 量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，
对1998 年诺贝尔化学奖 划时代的评价
瑞典皇家科学院的评价：
“ ··量子化学已发展成为广大化学家都能使用 · 的工具，将化学带入一个新时代 — 实验 与理论能携手协力揭示分子体系的性质。 化学不再是一门纯实验科学了”
I2 在 光 滑 球 模 型
不 Ar 同溶 半剂 径中 光的 滑振 球动 内弛 豫 时 间
Radius / nm 1.2 1.5 1.8 2.2 Shift / cm-1 1.20 1.79 1.76 1.75
受限于不同半径的光滑球内I2在Ar溶剂中的振动光谱位移
单 壁 碳 纳 米 管 模 型
Radius / nm Shift / cm-1
0.68 (10,10)
1.02 (15,15) 1.36 (20,20) 1.70 (25,25) 2.04 (30,30)
3.42
3.53 3.54 3.55 3.55
受限于不同半径的碳纳米管内I2在 Ar溶剂中的振动光谱位移密度为0.5 g/cm3
纳米反应器
自然界生命体系中的化学变化 绝佳的反应环境
R
+
R
R
R R
product shape selectivity
• “三十年前，如果说并非大多数化学家，那末至少 是有许多化学家嘲笑量子化学研究，认为这些工 作对化学用处不大，甚至几乎完全无用。现在的 情况却是完全两样了…。当90年代行将结束之际， 我们看到化学理论和计算研究的巨大进展，导致 整个化学正在经历一场革命性的变化。Kohn和 Pople是其中的两位最优秀代表”
1986：李远哲：“ 在十五年前，如果理论 结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错 了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。… 量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，
【精编】分子动力学模拟.PPT课件
rij f ij
2 K 3 Nk b T
PV 2 K 1 33
rij
f ij
2 3
K
2 3
P 2 [K ] 3V
1 2
rij fij
x new υ x old
V new υ 3V old
P 1 V 1 [υ 3 1 ]
TV
T
t P τ [ P0 P ]
P
υ {1
广义朗之万方程
miv•i(t)Fi(t)Ri(t)mi 0ti(tt')vi(t)d't
Ri(0)Rj(t) mik0 T ijij(t)
16、第六章、带传动(带传 动的张紧、使用和维护)资
料
复习旧课
1、带传动的失效形式和设计准则是什么？ 失效形式是：1）打滑；2）带的疲劳破坏。 设计准则是保证带在不打滑的前提下，具有足
Verlet 算法
r n 1 r n v n t 1 2 (m fn) t2 3 1 !d d 3 r 3 n tO ( t4 )
+ r n 1 r n v n t 1 2 (m fn ) t2 3 1 !d d 3 r 3 n tO ( t4 )
r n 1 2 r n r n 1 (m fn) t2 O ( t4)
d d i(t)v tfm i(it) k c b τ v dTT f0 T (T t)(t)v i(t)fm i(it) 1 2 T 0 T (T t)(t)v i(t)
c
df v
不能精确知道,假设
c
df v
= 1/2kb
压强
维里：作用在第 i个粒子上的力 Fi与坐标 ri乘积加和的期望值 维里定理：
n=0 中心盒
《分子模拟教程》课件
子动力学模拟
通过模拟分子的运动，研究分子在不同组态下的性质和行为。
2 蒙特卡洛模拟
使用随机抽样和统计方法，模拟分子在不同条件下的状态和性质。
3 量子化学计算
基于量子力学的数值计算方法，研究分子的结构和能量。
分子模拟在材料科学中的应用
材料设计
通过模拟分子的结构和性质，优化材料的性能和功能，加速新材料的研发。
《分子模拟教程》PPT课 件
本课件介绍了《分子模拟教程》的目的和内容，以及分子模拟在不同领域的 应用。
分子模拟的定义
分子模拟是利用计算机模拟分子和材料的行为和性质的过程。它可以帮助我们深入了解分子的结构、动 力学和相互作用。
分子模拟的基本原理
分子模拟基于物理和化学的基本原理，使用数值方法对分子进行模拟，考虑分子之间的相互作用和运动 规律。
界面和表面研究
模拟分子在材料表面和界面上的相互作用，深入了解材料的表面性质和反应过程。
电子器件模拟
通过分子模拟，优化电子器件的结构和性能，提高器件的效率和稳定性。
分子模拟在生物科学中的应用
蛋白质折叠
模拟蛋白质的折叠过程，揭示 其结构和功能之间的关系。
药物研发
通过分子模拟，筛选和设计新 药物，加速药物研发的过程。
细胞膜相互作用
研究分子在细胞膜上的相互作 用，理解细胞过程的基本机制。
结论和总结
分子模拟是一项重要的科学工具，可以帮助我们深入了解分子和材料的行为 和性质，推动科学研究和工程应用的发展。
通过模拟分子的运动，研究分子在不同组态下的性质和行为。
2 蒙特卡洛模拟
使用随机抽样和统计方法，模拟分子在不同条件下的状态和性质。
3 量子化学计算
基于量子力学的数值计算方法，研究分子的结构和能量。
分子模拟在材料科学中的应用
材料设计
通过模拟分子的结构和性质，优化材料的性能和功能，加速新材料的研发。
《分子模拟教程》PPT课 件
本课件介绍了《分子模拟教程》的目的和内容，以及分子模拟在不同领域的 应用。
分子模拟的定义
分子模拟是利用计算机模拟分子和材料的行为和性质的过程。它可以帮助我们深入了解分子的结构、动 力学和相互作用。
分子模拟的基本原理
分子模拟基于物理和化学的基本原理，使用数值方法对分子进行模拟，考虑分子之间的相互作用和运动 规律。
界面和表面研究
模拟分子在材料表面和界面上的相互作用，深入了解材料的表面性质和反应过程。
电子器件模拟
通过分子模拟，优化电子器件的结构和性能，提高器件的效率和稳定性。
分子模拟在生物科学中的应用
蛋白质折叠
模拟蛋白质的折叠过程，揭示 其结构和功能之间的关系。
药物研发
通过分子模拟，筛选和设计新 药物，加速药物研发的过程。
细胞膜相互作用
研究分子在细胞膜上的相互作 用，理解细胞过程的基本机制。
结论和总结
分子模拟是一项重要的科学工具，可以帮助我们深入了解分子和材料的行为 和性质，推动科学研究和工程应用的发展。
分子力学简介课件PPT
（force field method），是基于经典力学方程的计算分子的 平衡结构和能量的方法。
基本假设：
Born-Oppenheimer近似下对势能面的经验性拟合。
量子力学中的薛定谔方程 （非相对论和无时间依赖的情况下）：
2021/3/10
(R,r) E(R,r)
体系的哈密顿算符e(r与; R原)子核（ER）(和r电; R子)（r）位置相关的波函数 n(R) E(R)
2021/3/10
莫斯函数（Morse Function）
E s D e[e x p ( A (l l0)) 1 ]2
•TRIPOS, Cherm-X, CHARMM和AMBER采用谐振 子函数形式
•CVFF, DRIEDING和UFF既支持莫斯函数也支持谐 振子模型
•MM2和MMX用二阶泰勒展开的莫斯函数
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
核运动的波函数
13
ke 0
ke 0
电子运动方程： (Hˆ el VNN )e (R, r) Eele (R, r) ①
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
方程①中的能量Eel(势能面)仅仅是原子核坐标有关。相应的，方程 ②所表示的为在核势能面E(R)上的核运动方程。
2021/3/10
24
二面角扭转能 Torsion Rotation
ET
N Vn[1cos(n)]
n0 2
• V n 为势垒高度（barrier height），定量描述了二面角旋转的难易程度；
• N 为多重度（multiplicity），指键从0°到360°旋转过程中能量极小点的个 数；
基本假设：
Born-Oppenheimer近似下对势能面的经验性拟合。
量子力学中的薛定谔方程 （非相对论和无时间依赖的情况下）：
2021/3/10
(R,r) E(R,r)
体系的哈密顿算符e(r与; R原)子核（ER）(和r电; R子)（r）位置相关的波函数 n(R) E(R)
2021/3/10
莫斯函数（Morse Function）
E s D e[e x p ( A (l l0)) 1 ]2
•TRIPOS, Cherm-X, CHARMM和AMBER采用谐振 子函数形式
•CVFF, DRIEDING和UFF既支持莫斯函数也支持谐 振子模型
•MM2和MMX用二阶泰勒展开的莫斯函数
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
核运动的波函数
13
ke 0
ke 0
电子运动方程： (Hˆ el VNN )e (R, r) Eele (R, r) ①
核运动方程： (Tˆ Eel ) N (R) E N (R)
②
方程①中的能量Eel(势能面)仅仅是原子核坐标有关。相应的，方程 ②所表示的为在核势能面E(R)上的核运动方程。
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24
二面角扭转能 Torsion Rotation
ET
N Vn[1cos(n)]
n0 2
• V n 为势垒高度（barrier height），定量描述了二面角旋转的难易程度；
• N 为多重度（multiplicity），指键从0°到360°旋转过程中能量极小点的个 数；