分子动力学原理
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的参数),，CVFF(多用于生化分子的计算)， COMPASS(适用于多种 有机、无机材料及其复合结构)
分子动力学的算法
Verlet算法：
• 确定初始位置 • 确定初始速度
• 扰动初始位置 • 计算第n步的力 • 计算第n+1步的位置 • 计算第n步的速度
分子动力学模拟的基本步骤
读入 模型 和参 数
• 在实际应用中，上面的哈密顿方程转化为牛顿方程进行计算，并使
用位置r和速度v作为描述体系的参量
• 分子动力学依靠牛顿力学来模拟分子体系运动，在由体系不同状态
构成的系统中抽取样本，从而计算体系的热力学量和其他宏观性质
分子动力学中的势函数
• 分子动力学中势能面是用解析经验势函数来描述的 • 体系的势函数可以分解成多种势函数的共同作用
分子尺度的模拟计算
• 以分子运动为主要模拟对象
• 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
• 采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用
分子动力学模拟
• B. J. Alder和T. E. Wainwright在1957年利用分子动力学模拟发现
“刚性球组成的集合系统会发生由其液相到结晶相的转变”
Etotal Es Eb Etor Evdw Eelec
Es，键伸缩：成键原子间相互作用 Eb，键弯曲：成键角度的影响 Etor，键扭曲：化学键旋转时的能量变化 Evdw，非键作用：分子间作用力，通常用lennard-jones势描述 Eelec，非键作用：静电相互作用，通常用库伦势描述
• 微正则系综（NVE）：
系统原子数N，体积V和能量E保持不变，与外界没有能量或 物 质交换，只有动能和势能之间的转换
• 等温等压系综（NPT）：
系统原子数N，压强P和温度T保持不变，熔化过程的典型系综
分子动力学的基本原理
• Байду номын сангаас系的状态可由其所包含原子的位置r、动量P或速度v来标志 • 设体系总能量为H，则体系的运动方程为：
P H t r r H P t
分子动力学计算就是求解体系运动方 程，得到体系在空间变化轨迹的过程
分子动力学的基本原理
力场（FORCE FIELD）
• 描述势能的方程及其参数构成的力场 • 势能函数和结构参数决定了力场的性能，即其计算结果的准确性和
可靠性
• 参数的决定应在大量晶体学、热力学、光谱学等实验数据的基础上
进行，有时也可以由量子化学计算的结构提供数据
• 常用力场：UFF(由单个原子性质得到，可计算周期表上所有元素
初 始 化
能量优 化
升温
长时间平衡模拟
数据分析
避免局部 分子重叠
根据所有分子当前坐标计算受力根 据受力更新分子坐标 收集用于计算宏观性质的有关信息
分子动力学模拟的系综
系综是指在一定宏观条件下，大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状 态的、各自独立的系统合集
• 正则系综（NVT）：
系统原子数N，体积V和温度T保持不变，适用于多种模拟
分子动力学的算法
Verlet算法：
• 确定初始位置 • 确定初始速度
• 扰动初始位置 • 计算第n步的力 • 计算第n+1步的位置 • 计算第n步的速度
分子动力学模拟的基本步骤
读入 模型 和参 数
• 在实际应用中，上面的哈密顿方程转化为牛顿方程进行计算，并使
用位置r和速度v作为描述体系的参量
• 分子动力学依靠牛顿力学来模拟分子体系运动，在由体系不同状态
构成的系统中抽取样本，从而计算体系的热力学量和其他宏观性质
分子动力学中的势函数
• 分子动力学中势能面是用解析经验势函数来描述的 • 体系的势函数可以分解成多种势函数的共同作用
分子尺度的模拟计算
• 以分子运动为主要模拟对象
• 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
• 采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用
分子动力学模拟
• B. J. Alder和T. E. Wainwright在1957年利用分子动力学模拟发现
“刚性球组成的集合系统会发生由其液相到结晶相的转变”
Etotal Es Eb Etor Evdw Eelec
Es，键伸缩：成键原子间相互作用 Eb，键弯曲：成键角度的影响 Etor，键扭曲：化学键旋转时的能量变化 Evdw，非键作用：分子间作用力，通常用lennard-jones势描述 Eelec，非键作用：静电相互作用，通常用库伦势描述
• 微正则系综（NVE）：
系统原子数N，体积V和能量E保持不变，与外界没有能量或 物 质交换，只有动能和势能之间的转换
• 等温等压系综（NPT）：
系统原子数N，压强P和温度T保持不变，熔化过程的典型系综
分子动力学的基本原理
• Байду номын сангаас系的状态可由其所包含原子的位置r、动量P或速度v来标志 • 设体系总能量为H，则体系的运动方程为：
P H t r r H P t
分子动力学计算就是求解体系运动方 程，得到体系在空间变化轨迹的过程
分子动力学的基本原理
力场（FORCE FIELD）
• 描述势能的方程及其参数构成的力场 • 势能函数和结构参数决定了力场的性能，即其计算结果的准确性和
可靠性
• 参数的决定应在大量晶体学、热力学、光谱学等实验数据的基础上
进行，有时也可以由量子化学计算的结构提供数据
• 常用力场：UFF(由单个原子性质得到，可计算周期表上所有元素
初 始 化
能量优 化
升温
长时间平衡模拟
数据分析
避免局部 分子重叠
根据所有分子当前坐标计算受力根 据受力更新分子坐标 收集用于计算宏观性质的有关信息
分子动力学模拟的系综
系综是指在一定宏观条件下，大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状 态的、各自独立的系统合集
• 正则系综（NVT）：
系统原子数N，体积V和温度T保持不变，适用于多种模拟