【学术讲坛】分子动力学介绍
分子动力学简介及其在热传导方面的应用资料
分子动力学简介及其应用摘要：综述了分子动力学的发展历史，基本步骤，作用势与动力学计算，时间步长与约束动力学，及其应用，最后还指出了分子动力学的进一步研究方向。
关键字：分子动力学，作用势，时间步长，约束动力学1.引言分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是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。
1957年，Alder和Wainwright[1]首先在硬球模型下，采用分子动力学研究气体和液体的状态方程，从而开创了利用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例。
后来，人们对这一方法作了许多改进，并运用它对固体及其缺陷以及液体作了大量的研究。
但由于受计算机速度及内存的限制，早期模拟的空间尺度和时间尺度都受到很大限制。
21世纪80年代后期，由于计算机技术的飞速发展，加上多体势函数的提出与发展，为分子动力学模拟技术注入了新的活力。
分子动力学模拟不仅能得到原子的运动细节，还能像做实验一样进行各种观察。
对于平衡系统，可以用分子动力学模拟作适当的时间平均来计算一个物理量的统计平均值。
对于非平衡系统，发生在一个分子动力学观察时间内(一般为1~100ps)的物理现象也可以用分子动力学计算进行直接模拟。
特别是许多在实际实验中无法获得的微观细节，而在分子动力学模拟中都可以方便地观察到。
这种优点使分子动力学存物理、化学、材料科学等领域研究中显得非常有吸引力[2~10]。
分子动力学模拟虽然不如第一原理模拟精确，但以程序简单，计算量小，可计算的原子体系大大超过第一原理等方法，而保持有巨大的发展和应用前景。
2.分子动力学简史1957年：基于刚球势的分子动力学法（Alder and Wainwright）1964年：利用Lennard-Jones势函数法对液态氩性质的模拟（Rahman）1971年：模拟具有分子团簇行为的水的性质（Rahman and Stillinger）1977年：约束动力学法（Rychaert,Ciccotti）1980年：恒压条件下的动力学法（Ander法，Parrinello-Rahman法）1983年：非平衡态动力学法（Gillan and Dixon）1984年：恒温条件下的动力学法（Berendsen et al.）1985年：第一原理分子动力学法（Car-Parrinello法）1991年：巨正则系综的分子动力学方法（Cagin and Pettit）3.基本步骤3.1确定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。
slow-growth 分子动力学
slow-growth 分子动力学1. 分子动力学简介分子动力学是研究分子运动和相互作用的数值模拟方法，通过计算和模拟分子系统中粒子的运动轨迹和相互作用，揭示物质的宏观性质和微观机制。
该方法广泛应用于化学、物理、材料科学等领域，为科学研究和工程应用提供了重要的理论和实践基础。
2. slow-growth方法的原理slow-growth方法是分子动力学模拟中的一种技术，用于模拟系统在长时间尺度下的动力学行为。
它通过控制模拟系统的时间步长和温度等参数，使系统在较长时间内按照一定的速率演化，从而观察和研究系统的慢动力学行为。
3. slow-growth方法的应用slow-growth方法在材料科学、生物医学、化学反应动力学等领域有广泛的应用。
例如，在材料科学中，该方法可以用于研究材料的形态演化、相变行为和界面动力学等。
在生物医学领域，slow-growth方法可以用于模拟蛋白质的折叠过程和动力学行为，揭示其功能和稳定性等。
在化学反应动力学中，该方法可以用于研究反应物的转化过程和反应速率等。
4. slow-growth方法的优势和挑战slow-growth方法相比传统的分子动力学模拟方法具有一定的优势。
首先，它可以模拟系统在较长时间尺度下的动力学行为，从而获得更全面和准确的结果。
其次，该方法可以探索系统的慢动力学行为，揭示系统的稳定性、相变和自组装等机制。
然而，slow-growth方法也面临一些挑战，如计算资源要求较高、参数选择困难等。
5. slow-growth方法的发展趋势随着计算机技术的不断发展和计算资源的提升，slow-growth方法在分子动力学模拟中的应用将会得到进一步拓展。
未来，可以通过优化算法和并行计算等手段，提高模拟效率和准确性。
另外，结合实验结果和理论模拟，可以进一步深入理解和应用slow-growth 方法。
总结起来，slow-growth分子动力学是一种重要的模拟方法，可以用于研究系统的慢动力学行为。
分子动力学 rdf
分子动力学 rdf分子动力学(Molecular Dynamics)是一种模拟分子在数值上的运动和相互作用的方法。
该技术是通过计算个别分子的牛顿运动来研究物质的宏观表现的。
最初,分子动力学是由阿尔登·阿尔德尔森（Alden Alder）和Thomas Wainwright在1950年提出的。
这种方法已广泛应用于材料、物理、化学、生物等领域，已成为当今最为热门的科学计算方法之一。
分子动力学的基本思想是将被模拟分子看成一些由原子组成的质点，然后运用牛顿第二定律，模拟相互作用力的计算。
通过计算每个分子的相互作用，可以了解分子的内部结构和动力学行为，而这些特性对于研究材料的性质和化学反应至关重要。
在分子动力学中，原子或分子被分配以初始速度和位置，并在时间步长中根据速度和位置的微小变化进行移动。
分子的运动状态由偏微分方程来描述，它可以用指定的算法计算出来。
为了减少计算量，通常只考虑那些与周围分子距离以一定限制范围内的分子的相互作用。
分子动力学模拟通常与计算机模拟相结合，必须使用大量的计算算法。
其中主要的算法包括：分类法、牛顿法、能量最小化法、随机数法、长程作用法等等。
计算机的高速计算能力可以使研究者在相当短的时间内获取众多的计算数据，可以为理论探索和实际应用提供极为准确的依据。
在化学和材料科学领域中，分子动力学已经被广泛应用，用于探究多种材料物理、化学和生物学的特性。
例如，在材料科学中，分子动力学已经发展出用于理解金属、高分子、生物分子等材料性质的关键的研究工具。
在化学研究中，该技术主要用于研究分子的结构和相互作用、弛豫过程、化学反应机理、催化、氧化和还原反应等。
此外，分子动力学还可以用来研究生物大分子或纳米材料。
在生物物理学领域中，分子动力学被广泛运用于研究蛋白质和核酸的三维结构、启动和运作机制，以及相互作用的特定前提下的结构。
在纳米科学领域中，分子动力学可以研究纳米粒子的材料性质和化学反应，例如在太阳能电池的设计中，可以研究纳米粒子的电荷转移性。
分子动力学简介
分子动力学简介分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种计算模拟方法，用于研究分子和材料的运动行为。
它可以通过对分子间相互作用进行数值模拟，预测分子的结构、动力学和热力学性质。
在MD模拟中，分子被视为由原子组成的粒子系统。
通过牛顿运动定律和库仑定律等基本定律来描述原子之间的相互作用，并通过数值计算来模拟其运动轨迹。
MD模拟可以提供有关物理、化学和生物过程中原子和分子运动的详细信息。
MD模拟涉及到许多参数，其中最重要的是势能函数。
势能函数定义了原子之间的相互作用方式，并决定了系统的稳定性和性质。
常见的势能函数包括Lennard-Jones势、Coulomb势、Bonded势等。
在进行MD模拟时，还需要选择合适的时间步长和温度控制方法。
时间步长是指每次计算所需的时间长度，通常需要根据系统特点进行调整以确保准确性和稳定性。
温度控制方法包括恒温、恒压等，可以帮助保持系统平衡并控制温度和压力。
MD模拟已经被广泛应用于材料科学、生物化学、药物设计等领域。
例如，通过对蛋白质分子进行MD模拟，可以预测蛋白质的结构和功能，并为药物设计提供指导。
在材料科学中，MD模拟可以帮助研究材料的力学性能、热传导性能等。
尽管MD模拟具有很多优点，如不需要大量实验数据、可以提供详细的原子级别信息等，但也存在一些限制。
例如，由于计算资源的限制，MD模拟通常只能涉及较小的系统；同时，由于势能函数的不确定性和时间步长的选择等因素的影响，结果可能存在误差。
总之，分子动力学作为一种计算模拟方法，在许多领域都得到了广泛应用。
通过对分子运动行为进行数值模拟，可以深入了解物理、化学和生物过程中原子和分子间相互作用机制，并为相关领域的研究和应用提供有价值的参考。
分子动力学
分子动力学
分子动力学（Molecular Dynamics）是运用统计物理学原理，通过计算来研究分子系统中
原子和分子的动态流变，从而对分子间相互作用及对引力法则、量子力学理论和其它物理定律的结果等进行模拟研究的仿真技术。
其基本思想是以细胞原理和迈克尔逊-普朗克动能作为模型基础，借助计算机，通过量子
化学方法理论研究分子在长时间运动中的结构性质及相互作用的力学行为，为原子间的交互作用和分子的动力学运动模拟，可以准确地描述原子性质和反应机理。
在复杂分子系统中，我们可以根据原子间相互作用潜力及其体积影响得出原子间劲度系数。
通过计算，实现分子动力学模拟。
一旦分子动力学模拟被成功应用于实际的物理或有机化学问题，就可以对模拟结果与实验结果进行比较。
将模拟结果与实验结果进行相比较与分析，我们可以更加深入地理解分子的性质。
此外，分子动力学技术还可以用在农业、医学、催化以及合成化学等领域之间。
例如，可以利用此技术来设计新型药物，通过调节抗病毒性和毒性等来减少药物副作用，可以研究加工作用，改进催化剂的性能，优化合成步骤，揭示有机体的生理活动等的究理。
总的来说，分子动力学是一个快速发展的模拟技术，可以模拟和解释小分子和蛋白质等大分子的结构和动态特性，以及丰富科学领域的多种新应用，可以说是一种十分重要的模型。
分子动力学的理论及应用
分子动力学的理论及应用分子动力学是一种重要的计算化学方法，用来模拟复杂分子体系的动力学行为。
它从微观角度描述了分子系统的运动和相互作用，可应用于化学、材料学、生物学等多个领域。
本文将介绍分子动力学的基本理论和应用。
一、分子动力学的理论分子动力学核心在于牛顿第二定律，即F=ma。
该定律强调了物体所受到的力和它所产生的加速度之间的关系。
在分子动力学中，分子作为物体，其受力情况和加速度可通过势能函数来描述。
分子系统的能量可通过哈密顿量求得，其中包括分子所受到的所有势能和动能。
为了求解分子的动力学行为，需要进行时间演化。
具体地，需要在短时间内求解分子所受到的力，在此基础上根据分子的质量和加速度来更新分子的位置和速度。
这一过程类似于在离散时间点上计算微分方程。
在分子动力学中，最关键的参数是分子势能函数。
势能函数的形式多种多样，包括经验关系式、量子化学方法和经验分子力场等。
其中，经验分子力场最为常见，其包含了许多常见分子的实验数据，并将这些数据拟合到一个函数形式上。
二、分子动力学的应用分子动力学应用范围极广，常用于计算化学、材料学和生物学等领域。
以下是三个领域的典型应用：1. 计算化学多数化学反应的步骤很难通过实验分析。
分子动力学为计算化学提供了一种可靠的方法，可模拟和计算反应的中间态和过渡态。
这种方法可以为了解化学反应的机理提供深入的视角。
2. 材料学分子动力学也可用于研究材料的物理特性。
例如，可通过模拟来研究硅材料的分子运动、固态异质性等。
这种方法对于材料表面和表面处理技术的研究相当重要。
3. 生物学生物体系是极其复杂的，分子动力学可用于揭示生物分子之间的相互作用和运动。
例如，分子动力学模拟可以被用来研究蛋白质的折叠过程、膜生物学等。
特别是在新药开发中，分子动力学可为药物分子的设计和优化提供有价值的信息。
三、结论综上所述，分子动力学是一种强大的计算化学方法，用于预测分子系统和化学反应的医学性能。
分子动力学理论和技术的不断发展，使其在化学、材料学和生物学等多个领域具有重要的应用。
化学物理学中的分子动力学
化学物理学中的分子动力学化学物理学是研究物质中有关化学和物理相互作用的分支学科。
分子动力学则是化学物理学中非常重要的一个方向，它是指利用物理学和数学模型来描述和计算分子的运动行为。
分子动力学能够通过计算机模拟的手段来研究分子在不同温度、压力和环境下的动力学行为及其相互作用。
它是一种基于牛顿力学的数学模拟方法，通常用于研究物质在宏观和微观尺度下的热力学性质和宏观性质。
在分子动力学的研究中，常常使用分子间的势能函数来描述分子间的相互作用和化学反应，基于分子运动规律和动能、势能等物理量对分子进行数值模拟。
这些方法已经得到了广泛的应用，例如在生物化学和纳米技术等领域中，分子动力学已经成为了非常强大的工具。
分子动力学的应用在生物化学领域中，分子动力学可以用于确定生物分子识别和抑制剂的作用机制，如蛋白质、核酸和药物分子等。
分子动力学也可以用来研究分子在溶液中的行为，如蛋白质的折叠和溶剂的影响等。
在材料科学领域中，分子动力学应用非常广泛，如碳纳米管、纳米晶、高分子材料等。
通过模拟不同的反应温度和压力条件下的化学反应，科学家可以预测材料的性能和结构，并为新材料的合成提供理论基础。
另外，分子动力学也在气体动力学中得到了广泛应用，在利用计算机模拟大气层中的气体和气溶胶微粒运动的同时，可以考虑大气环境中的各种复杂作用。
分子动力学的模拟方法晶粒生长晶粒生长是一种分子动力学模拟方法，在晶体过程中使用原子和分子级别的实验数据构建出粒子之间的相互作用，从而通过模拟来预测晶体生长的形貌和性质。
化学反应分子动力学也可以用于模拟化学反应的过程。
这种方法基于分子间的势能，可以模拟分子在反应过程中的能量转移和化学键的形成和断裂。
Nose-Hoover热浴法Nose-Hoover热浴法是一种常用的分子动力学模拟方法，它可以通过在模拟中引入虚拟的热浴，来控制系统的温度和能量波动。
这种方法通常用来模拟大规模分子系统的动力学行为。
总结分子动力学是一种应用广泛的研究方法，它能够模拟分子在不同条件下的运动行为，以及分子间的相互作用和反应过程。
分子动力学原理
分子动力学原理1. 介绍分子动力学（Molecular Dynamics）是一种计算物质运动的方法。
它基于牛顿运动定律和量子力学的原理，通过模拟分子之间的相互作用和运动来研究物质的力学行为。
分子动力学方法在材料科学、生物物理学、化学和环境科学等领域有广泛的应用。
2. 分子动力学的基本原理分子动力学的基本原理是通过求解分子粒子的运动方程来模拟物质的运动。
常用的分子动力学模拟方法包括经典分子动力学（Classical Molecular Dynamics）和量子分子动力学（Quantum Molecular Dynamics）。
2.1 经典分子动力学原理经典分子动力学方法基于经典力学的原理，假设分子中的原子为经典粒子，其运动满足牛顿运动定律。
该方法所研究的系统可以用经典力场来描述，其中分子之间的相互作用由势能函数表示。
通过数值计算得到每个原子的运动轨迹和能量变化。
2.2 量子分子动力学原理量子分子动力学方法考虑了波粒二象性，适用于研究原子和分子的量子效应。
在量子分子动力学中，波函数描述了系统的量子态，通过求解薛定谔方程可以得到系统的动力学行为。
与经典分子动力学不同的是，量子分子动力学方法需要考虑电子结构和核-电子相互作用等量子效应。
3. 分子动力学模拟步骤对于一个分子动力学模拟，一般需要经过以下步骤：3.1 设定初始条件设定模拟系统的初始结构和初始速度。
初始结构可以通过实验测量或计算得到，初始速度可以根据温度和速度分布函数生成。
3.2 计算相互作用计算模拟系统中各个分子之间的相互作用。
相互作用通过势能函数描述，常见的势能函数有Lennard-Jones势和Coulomb势。
3.3 求解运动方程根据分子之间的相互作用和牛顿运动定律，求解分子的运动方程。
常用的求解算法有Verlet算法和Leapfrog算法。
3.4 更新位置和速度根据求解得到的分子的运动方程，更新分子的位置和速度。
3.5 重复模拟重复以上步骤，进行多次模拟并记录模拟结果。
分子动力学简介
zi( n ) zi( n 1) h (n) Fi m
Verlet算法的速度形式模拟步骤可写为： ri(1) ，及初始速度 vi(1) ①给定粒子的初始空间位置 ri ( n 1) ②计算第n+1步所有粒子所处的位置
ri
( n 1)
可知，由t和t-h的位置及t时刻的受力能求出t+h时刻粒子的位置； 现令， t nh F ( n ) F (t ) r ( n ) r (t )
n
i i n
i i n
上式可以改写为：ri
( n 1)
2ri( n) ri( n1) Fi ( n) h 2 / m , i=1,2,…,N
2 r2 d 2 P Rn 2 Rn 2 Dt D 2 d P r t r2 是一个与晶格属性及温度有关的量，与扩散系数D d 2P 无关，我们记作K，则：
2 1 Rn D K t
• 总述
一般来说，一个给定的系统并不知道其精确的初始条件， 需要给出一个合理的初始条件，然后在模拟过程中对能量 进行增减调节。具体，先算出若干步的动能和势能，如果 不符合给定的恒定量，则乘以一个标度因子，再回到第一 步。
正则系综
• 概述
很多情况下，所研究系统的温度恒定，如同将系统置于热 浴中，系统能量可能有涨落，这就是正则系综（NVT）， 粒子数N，体积V，温度T和总动量P为守恒量。 1 A mvi2 常量 正则系综MD模拟的约束为： 2 i 平衡化过程中，用以上约束 进行标度调整。
固体扩散中，扩散原子并不是沿着直线扩散，二是呈折线 无规则地在晶体的间隙或者空位之间跳动。
均方位移与扩散系数关系式推导
由于原子跳动方向有正负，会出现抵消，因此只考虑纯位 移就失去了意义因此提出了均方位移。
什么是分子动力学
什么是分子动力学分子动力学（MD）是一门关于研究分子运动的多学科交叉学科，将物理，化学，生物学和计算机科学等专业知识紧密结合起来，来模拟分子层面的各种运动细节。
以下是对它的一些概述：1. 分子动力学概念：分子动力学（MD）是一种计算机模拟技术，能够模拟分子层面的各种运动细节，包括分子间的相互作用，如键合、剪切等。
它主要采用特定的系统预先计算的系统动能，通过有限的迭代来模拟估计出不断变化的坐标和动量，模拟出分子运动的过程。
2. 分子动力学应用：在分子动力学中，不仅可以模拟出分子运动，还可以模拟出材料性质及其变化，以及纳米尺度等复杂情况。
目前，很多材料科学领域已经能够使用分子动力学模拟技术，例如生物材料、化学材料、复合材料、纳米材料等。
3. 分子动力学算法：MD算法主要用来解决复杂的运动尺度问题，其主要原理是模拟分子的受力运动，从而模拟出系统的动力学行为和性质变化情况。
MD算法可以分成两大类：时间步长MD算法和可动步长MD算法。
4. 分子动力学原理：分子动力学依赖于一系列基本原理：１）物理中确定性原考：只要提供起始条件并知晓相关性质，就可以通过求解相关方程组来确定研究运动系统的行为特征；２）物理中热力学和统计力学原理：无论采用何种方法求解，模拟结果的最终精确程度都在一定程度上取决于热力学和统计力学理论；３）数值分析：分子运动细节和复杂系统本身均具有极高火候不容易求解，只能采用数值方法；４）计算机科学：MD算法依赖于系统模拟软件和计算机，以及合理的编程技术和算法。
5. 分子动力学的未来：随着计算机技术的不断进步，MD模拟能力也在不断提高。
MD模拟可以做到计算密度泛函理论成本极其低廉，而且不需要人工参数调整，这将有助于解决更多复杂的科学问题。
此外，MD技术也有可能应用于各种量子态动力学模型，以实现更高精度和更快的计算速度。
分子动力学简介
【专业】计算物理【研究方向】分子动力学模拟【学术讲坛】1、分子动力学简介：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。
广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。
经典MD模拟，其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子，模拟时间为纳秒量级。
2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBM lueGene/L）。
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。
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。
详细介绍请见附件。
2、分子模拟的三步法和大致分类三步法：第一步：建模。
包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。
初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。
第二步：过程。
这里就是体现所谓分子动力学特点的地方。
包括对运动方程的积分的有效算法。
对实际的过程的模拟算法。
关键是分清楚平衡和非平衡，静态和动态以及准静态情况。
第三步：分析。
这里是做学问的关键。
你需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征，说明你的问题的实质和结果。
因此关键是统计、平均、定义、计算。
比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。
有了这三步，你就可以做一个好的分子动力学专家了。
分子动力学简介
➢ 在此过程中收集用来计算宏观性 质的有关信息
初始能量优化方法
➢ 去除某些可能存在的原子重叠 ➢ 去除某些严重扭曲的键长、键角、扭矩等
➢ 方法
➢ 最速下降法 ➢ 牛顿拉夫森方法 ➢ 其他
➢ 一般优化几千到几万步
积分方法
➢ Verlet法 ➢ 简单易行，但是有精度损失 ➢ Leap-frog法，Verlet法的变种
➢ 单个处理器：~12天
➢ 16个并行处理器：~1天
或者
MPI
➢ Message Passing Interface
➢ 90年代初制定和完善的一套并行语法 ➢ 支持Fortran, C, C++ ➢ 简单易学
MPI Init 初始化 Size,Rank 是否正常初始化？ 是否Rand0 MPI Send
➢ 简单的液体，不涉及太多的界面性质
➢ 小分子体系，势能模型不是很复杂 ➢ 几百个分子，可能涉及到静电作用，可能需要长程校正 ➢ 用微机也可以处理，计算时间一般几小时~几天
大型（复杂）体系和并行算法
➢ 必要性
➢ 体系越来越大 ➢ 模拟时间越来越长
➢ 解决办法
➢ 制造更快的处理器 ➢ 并行计算机
➢ 例子：~50000原子的生物 体系，1ns模拟
是否Rand0
MPI Recv Program 是否非Rand0 MPI Send
是否Rand0
close MPI... End
close MPI... End
close MPI... End
close MPI... End
GPU计算架构
GPU Init 初始化 是否正常初始化？ 将数据传输到显存中
分子动力学讲课
机的计算量，分子动力学模拟通常采用周期性边界条件。首先
在模拟体系中选择合理的原胞，其周围部分为它的镜像。
7
1
势函数
势函数是原子（分子）间相互作用的函数。在分子 力学中，势函数常称为力场。一般体系的势能由分 子内相互作用和分子间相互作用之和。
间断对势 势函数 对势 连续对势 多体势
F-S势
勒让-琼斯势 （L-J 势） Born-lande势 morse势 Johnson势
宏观量：从整体上描述系统的宏观性质， 如气体的容积、压强、温度和总能量。
18
1
分子动力学介绍
分子动力学工作方框图
19
2
文献阅读
20
2
研究背景 物理科学和 信息产业快 速发展 薄膜物理和 薄膜生长技 术受到关注
理想薄膜
分子动力学模 拟
难以直接观 察
微观上对 薄膜生长 过程研究
21
2
研究目的与意义
分子动 力学模 拟
1
薄膜生长的微观机理
2
Cu衬底 气相Ag
薄膜中原子的排列 情况以及原理
Cu衬底上Ag被吸附而生成薄膜
对于改进相关实验和进 一步研究有一定意义
22
2
分子动力学模拟方法
原子势模型函数
F-S势模型：1984年左右提出，根据金属能带 的紧束缚理论，发展了的一种在数学上等同 于EAM的势函数。应用于描述具有bcc结构纯 金属的原子间相互作用 Ackland等人在此基础上通过拟合金属的弹性 常数、点阵常数、空位形成能、以及压强体 积关系将其推广到二元合金体系给出了Cu、 Al、Ni、Ag的多体势函数
上海大学 材料学院
分子动力学在金属表面生长中的研究
《分子动力学》课件
它基于经典力学原理，采用数值方法 求解分子体系的运动方程，模拟分子 的运动轨迹和相互作用，从而得到体 系的宏观性质和微观结构信息。
分子动力学的发展历程
分子动力学的起源可以追溯到20世纪50年代，当时科学家开始尝试使用计算机模拟 分子体系的运动行为。
随着计算机技术和算法的发展，分子动力学模拟的精度和规模不断得到提高，应用 领域也日益广泛。
详细描述
水分子动力学模拟可以揭示水分子在不同环境下的动态行为，例如在生物膜、催化剂表面或纳米孔中 的水分子行为。通过模拟，可以深入了解水分子与周围物质的相互作用，从而为理解生命过程、药物 设计和纳米技术提供重要依据。
蛋白质折叠模拟
总结词
预测蛋白质的三维结构
详细描述
蛋白质折叠模拟是利用分子动力学模拟预测蛋白质的三维结 构的过程。通过模拟蛋白质在溶液中的动态行为，可以预测 其可能的折叠方式，从而为理解蛋白质的功能和设计新药物 提供帮助。
目前，分子动力学已经成为材料科学、化学、生物学、药物设计等领域的重要研究 工具。
分子动力学模拟的应用领域
01
02
03
04
材料科学
研究材料的力学、热学、电学 等性质，以及材料的微观结构
和性能之间的关系。
化学
研究化学反应的机理和过程， 以及化学键的性质和变化规律
。
生物学
研究生物大分子的结构和功能 ，以及蛋白质、核酸等生物大
高分子材料模拟
总结词
优化高分子材料的性能和设计
VS
详细描述
高分子材料模拟利用分子动力学模拟来研 究高分子材料的结构和动态行为。通过模 拟，可以深入了解高分子材料的性能和行 为，从而优化其性能、提高稳定性或开发 新型高分子材料。这对于材料科学、化学 工程和聚合物科学等领域具有重要意义。
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。
分子动力学的关键_概述及解释说明
分子动力学的关键概述及解释说明1. 引言1.1 概述分子动力学是一种重要的计算模拟方法，为研究物质中原子和分子的运动规律提供了有效工具。
通过解析经典牛顿定律或量子力学运动方程，可以在计算机上模拟系统的动力学行为，并揭示材料的性质、反应、结构和功能等方面的信息。
分子动力学模拟已经成为材料科学、化学和生物科学等领域不可或缺的研究手段。
1.2 文章结构本文首先介绍了分子动力学的基础知识，包括原子与分子的运动规律、动力学方程与演化算法以及参数设置与模拟条件选择等内容。
接着讨论了分子动力学模拟在材料科学中的应用，涉及材料性质预测与优化设计、化学反应和催化过程模拟以及纳米材料的性能研究与设计。
然后，我们探讨了分子动力学模拟技术的发展和挑战，包括高性能计算与并行计算技术对分子动力学的影响、多尺度模拟方法的发展与应用以及数据处理和可视化技术在分子动力学中的应用进展。
最后，我们对全文进行了总结并展望了分子动力学未来可能的研究方向和前景，并强调了分子动力学在不同领域的应用价值。
1.3 目的本文旨在提供对分子动力学的综述和解释说明。
通过介绍该方法的基础知识、应用以及发展与挑战，旨在帮助读者更好地理解和掌握分子动力学模拟技术，从而推动相关领域研究的发展和应用。
此外，本文还旨在呼吁对分子动力学进行更深入研究，并指出其巨大潜力与重要性，以激发更多科学家对该领域的关注和投入。
2. 分子动力学的基础知识2.1 原子与分子的运动规律分子动力学是研究分子和原子运动的物理学方法。
在分子动力学中，分子和原子被视为经典粒子，其运动遵循牛顿力学。
根据牛顿第二定律，分子和原子受到外力的作用而产生加速度，进而改变其位置和速度。
原子和分子之间的相互作用通过势能函数来描述。
常见的势能函数包括Lennard-Jones势函数、Coulomb势函数等。
这些势能函数可以描述各种化学键和相互作用类型。
2.2 动力学方程与演化算法在分子动力学模拟中，原子和分子的运动由Newton's equation of motion来描述：MM = M,其中M是质量矩阵，M是加速度向量，M是受到的合外力。
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。
分子动力学的基础知识与应用
分子动力学的基础知识与应用分子动力学是一种研究物质内部微观运动和相互作用的计算方法，适用于物质的热力学性质、结构演变、反应动力学等方面的分析和计算。
分子动力学方法在许多领域中都有着重要的应用，比如材料科学、生物科学、地球科学等。
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力学和统计力学的，它利用牛顿第二定律描述物质微元体积在作用力的驱使下所发生的动态行为，通过许多个微元体积的合成来模拟整个系统的宏观行为。
在分子动力学模拟中，整个系统被划分为一系列的微观体积单元，每一个粒子受到周围粒子和外力的作用力后会产生相应的加速度，然后根据牛顿第二定律计算它的速度和位置的变化，并不断迭代直至模拟时间结束。
因此，模拟的结果是每个粒子的时间变化轨迹。
分子动力学模拟中，需要根据物质的分子结构和相互作用力来分析和计算物质的性质。
其中，分子结构的理论计算和实验测量是基础。
相互作用力包括范德华相互作用力、氢键相互作用力、库伦相互作用力等。
二、分子动力学的应用1. 材料科学分子动力学方法在材料科学中的应用非常广泛，包括材料力学性质、材料晶体结构、材料扩散、材料表面和界面等方面研究。
比如，在纳米材料领域中，利用分子动力学可以研究纳米材料的形态演变、纳米材料的晶体结构、纳米材料的表面变化等。
此外，分子动力学可以对材料的生长、腐蚀、断裂等过程进行模拟预测，为材料的设计和改进提供依据。
2. 生物科学分子动力学方法在生物科学中的应用也十分广泛，包括蛋白质和核酸的结构研究、蛋白质和核酸相互作用机制的探究、药物的分子设计等。
比如，在研究蛋白质的结构和功能过程中，分子动力学可以模拟蛋白质的构象变化、蛋白质与其他分子的相互作用、蛋白质在细胞内的运动等，为研究蛋白质的功能和药物的分子设计提供依据。
3. 地球科学分子动力学方法在地球科学领域也有重要应用，主要是在研究地球物质的物质运移和地球结构演化等方面。
比如，在地球内部物质的运移研究中，分子动力学可以模拟地幔矿物物质的扩散和渗透，为探究大地构造和地震活动机制提供支持。
分子动力学知识讲座
• 因原子的质量比电子大很第多3页，/共量24页子效应不明显，可近似用经
基本思想
• 事先构造出简单体系(如链段、官能团等各种不同结构的小片段)的
势能函数, 简称 势函数 或 力场(force field) • 将势函数建成数据库，在形成较大分子的势函数时，从数据库中检索到结构相同的片段，
dFip/dmtia=i m mdvi d/dvdti t=mmi add=2tx2Fi
•• 45) 对) 每显个示原子体，系在一能定时量间和间隔结内构，用牛顿方程求解其运动行为： • 6) 取下一时间间隔，返回步骤 1) • 不断循环反复，可设定循环次数或强行终止计算
• 其中, 不仅时间间隔可以根据需要取不同大小(一般~1 fs=10-15 s),温度可以任意设定，而且还可以在循环过程中逐渐改变温度， 即研究体系的退火(annealing)行为
kBT
1 3n
n i 1
mi vi2
• 又因体系中各原子的速率为vi时，动量pi=mivi，对应
总动能K(p)为：
K( p)
n i 1
1 2mi
(
p2 i,x
p2 i,y
p2 i,z
)
第15页/共24页
• 势能由力场确定为E(x)，因此体系的Hamilton量H为：
H(x, p) K( p) E(x)
第6页/共24页
• 势函数形式很多，目前已被广泛使用的力场有如CFF、MM2、MM3、MM4、MMFF、 AMBER、CHARMM、DREIDING 、UFF和COMPASS 等
• 形式虽多, 但一般总表达为分子内与分子间势能之和: V总=V键合+V非键合
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【专业】计算物理【研究方向】分子动力学模拟【学术讲坛】1、分子动力学简介：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。
广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。
经典MD模拟，其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子，模拟时间为纳秒量级。
2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBM lueGene/L）。
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。
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。
详细介绍请见附件。
2、分子模拟的三步法和大致分类三步法：第一步：建模。
包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。
初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。
第二步：过程。
这里就是体现所谓分子动力学特点的地方。
包括对运动方程的积分的有效算法。
对实际的过程的模拟算法。
关键是分清楚平衡和非平衡，静态和动态以及准静态情况。
第三步：分析。
这里是做学问的关键。
你需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征，说明你的问题的实质和结果。
因此关键是统计、平均、定义、计算。
比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。
有了这三步，你就可以做一个好的分子动力学专家了。
推而广之，其实所谓的介观模拟，蒙特卡罗模拟、有限元模拟都是一个道理。
大致分类：2.1电子模拟（量化计算，DFT）量子化学计算一般处理几个到几十个原子常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等密度泛函（DFT）可以算到上百个原子常见软件：VASP2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）2.2.1分子级别的模拟分子水平的模拟以分子的运动为主要模拟对象采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用一般情况下不考虑电子转移效应，因而不能准确模拟化学成键作用 发展最早1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子 分子级别的模拟应用的领域很广广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等领域简单易学2.2.2蒙特卡洛方法蒙特卡洛是一种优化方法通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点随机方法通过系综平均来求取宏观性质模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）优点是可以跨越时间因素，缺点是得不到有关时间信息的性质 2.3 CPMD:考虑量子效应的分子动力学同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学） 能同时准确模拟物理作用和化学键作用目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）2.4颗粒方法（Coarse Grain）将分子基团（几个或者几十上百个原子）当成单个的微粒来处理 微粒之间的作用也是通过类似于分子动力学的未能函数来描述 可以模拟更长的时间跨度3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件3.1 namd/about.html/主要针对与生物和化学软材料体系优点程序设计水平高，计算效率高，号称可以有效并行到上千个处理器兼容多种输入和输出文件格式，有很好的分析辅助软件VMD有很好的维护服务不需安装免费缺点万一需要自己安装的话比较麻烦3.2 AMBER/about.html主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子优点有很好的内置势能模型自定义新模型和新分子很方便有很完善的维护网站缺点计算效率不高（收敛到16个处理器），运算速度慢 $4003.3 CHARMM/pro1.html主要针对生物体系，也包含部分化学体系优点势能模型更新很快自定义新模型比较方便维护服务很好缺点运算速度慢，计算效率低$6003.4 TINKER/contact.html一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重优点支持多种模型免费缺点仍在开发中，某些方面还不完善3.5 LAMMPS/news.html一般性分子模拟软件优点兼容当前大多数的势能模型编程水平高，计算效率高（比NAMD差，强于其他所有类似软件）可以模拟软材料和固体物理系统免费缺点维护差3.6 DL-POLY/zxgy.html一般性分子模拟软件优点界面友好计算效率高（有两个版本供选择，适合于不同大小的体系）维护服务很好缺点兼容性不好100英镑3.7 GROMACS/job.html主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系优点算法好，计算效率高界面友好维护服务好免费软件缺点兼容性不好3.8 Materials Explorer多功能分子动力学软件立足于Windows平台的多功能分子动力学软件。
拥有强大的分子动力学计算及Monte Carlo 软件包，是结合应用领域来研究材料工程的有力工具。
Materials Explorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。
Materials Explorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。
Materials Explorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。
功能：创建模型：• MD Cell Builder ——创建非晶和有序体系• Add MD Cell ——创建分层体系，如晶界和相界等• Molecule Generator ——在吸附，CVD， spattering 模拟中插入新的分子到MD Cell附加工具：• Molecule Builder ——提供所有类型的分子的创建• Crystal Builder ——使用空间点群和不对称单元创建晶体结构，用于无机固体及分子晶体系统的研究• Polymer Module ——模拟不定型聚合物• pdb → bdl 支持输入pdb格式的文件各种灵活的模拟功能：• NEV, NTV, NPH 和 NTP全部使用 Parrinello-Rahman-Nose 方法•两种积分方法: Gear (predictor-corrector) 和 Hernandez (leap-frog)•使用SHAKE 算法进行键约束计算•可以采用周期边界条件•研究异相系统（气-固界面，固体颗粒边界等）•多种分子模型：potential，rigid body，bond constraint，united atom model•使用Parrinello-Rahman 和 Nose 方法进行温度和压力控制分子动力学模拟•初始驰豫——阻止在液体和非晶模拟中的爆炸•外场：静电场，磁场，重力场，包括球和弹性能力校正•电荷确定工具——确定分子的原子电荷•轻松建立随机多组分液相或气相系统；•轻松进行分子模拟，从而研究晶体或外延生长，表面吸附和表面破坏；•利用复制，剪切和粘贴功能建立带有缺陷和杂质的模块系统分析：• Monitoring Module ——显示温度，压力，内能以及其它热力学性质与时间的2D曲线图• 3D Atomic Configuration Module ——显示系统的快照，轨迹和动画• MSD Module ——从输出数据计算均方位移（MSD）。
显示MSD的2D图像，以及每个分子的自扩散系数。
• PCF Module ——计算配对相关性函数和自由基分布函数，并描绘出相应的二维图• Interference Function Module ——根据一对相关函数计算X-ray 和中子衍射。
• Voronoi Module ——计算Voronoi 多面体的数目和这个多面体的面数。
利用Voronoi分析对无定形固态进行表征• Internal Coordinate Module ——计算键长，键角，二面角，或指定分子类型的里面角，在分布图中显示分布状态。
• Velocity Auto-Correlation Function & Spectrum Module ——计算自相关函数和基于Wiener-Khintchin方法的谱• Modulus of Elasticity Module ——计算弹性系数4、国内部分著名分子动力学课题组简介4.1 蒋华良上海药物所男，研究员，博士生导师。
现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任。
蒋华良研究员 1987 年毕业于南京大学化学系，获得学士学位；1992 年毕业于华东师范大学化学系，获得理学硕士学位； 1995 年毕业于中国科学院上海药物研究所，师从嵇汝运院士和陈凯先院士，获得理学博士学位。
随后留在药物所工作，历任副研究员、研究员、博士生导师、药物发现与设计中心主任、所学术委员会副主任、副所长等职。
他是国家杰出青年基金获得者，科技部 973 计划首席科学家，科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员，科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究”专家组成员，国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员4.2 刘海燕科大男，教授，博士生导师。
1969年出生于四川。
1996年毕业于中国科学技术大学生物系，获博士学位。
曾于1993-1995年作为联合培养研究生在瑞士苏黎世高等理工学院物理化学实验室学习，1998-2000年在杜克大学和北卡罗来纳大学作博士后研究。
现为我校生命科学学院教授、博士生导师。
在J. Am.. Chem. Soc.、J. Mol. Biol.、J. Chem. Phys.等杂志发表研究论文三十余篇。
2000年入选中国科学院“引进国外杰出人才”项目。
2001年获“国家杰出青年基金”资助。
4.3 王恩哥物理所男，1957年生，现任中国科学院物理研究所所长，研究员，博士生导师。
同时任香港大学Honorary教授，以及国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）专业委员会委员，中国物理学会秘书长，中国物理学会凝聚态理论与统计物理专业委员会常委，《Materials Science Foundation》、《Journal of Computational and Theoretical Nanoscience》、《物理学报》、《化学物理学报》等杂志的编委。