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。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：⌝量子化学计算⌝2.1电子模拟（量化计算，DFT）常见软件：VASP⌝可以算到上百个原子⌝密度泛函（DFT）⌝常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等⌝一般处理几个到几十个原子

2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）

⌝采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用⌝以分子的运动为主要模拟对象⌝分子水平的模拟⌝2.2.1分子级别的模拟⌝ 1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子⌝发展最早⌝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⌝分子级别的模拟应用的领域很广⌝1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子简单易学⌝广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等领域

⌝通过系综平均来求取宏观性质⌝随机方法⌝通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点⌝蒙特卡洛是一种优化方法⌝2.2.2蒙特卡洛方法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⌝模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）

⌝同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学）⌝2.3 CPMD:考虑量子效应的分子动力学目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）⌝能同时准确模拟物理作用和化学键作用

⌝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⌝2.4颗粒方法（Coarse Grain）可以模拟更长的时间跨度⌝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

3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件

3.1 namd

/Research/namd/

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，有的分析辅助软件VMD 有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

主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子优点有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

$400

3.3 CHARMM

/

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缺点运算速度慢，计算效率低

$600

3.4 TINKER

/tinker/

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 /~sjplimp/lammps.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

/msi/software/DL_POLY/

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）维护服务缺点兼容性不好

100英镑

3.7 GROMACS

/

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