實(shí)驗(yàn)四介觀(guān)動(dòng)力學(xué)模擬27396

1、計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)八：介觀(guān)動(dòng)力學(xué)模擬一、前言1、介觀(guān)模擬簡(jiǎn)介長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)家致力于從分子水平研究物質(zhì)及其變化，而化學(xué)工程工作者主要研究物質(zhì)在宏觀(guān)體系的行為，介觀(guān)層次的化學(xué)正是聯(lián)系微觀(guān)及宏觀(guān)的橋梁，是從分子到材料的必由之路，同生命過(guò)程也有密切的關(guān)聯(lián)。由于介觀(guān)模擬能夠模擬的空間尺度（納米到微米）、時(shí)間尺度（納秒到微秒）更大，應(yīng)用介觀(guān)模擬方法可以模擬更加復(fù)雜的體系，例如：高分子熔體，高分子稀溶液自組裝，表面活性劑溶液自組裝，磷脂膜等膠體化學(xué)，高分子，生物大分子相關(guān)的內(nèi)容。目前介觀(guān)模擬的方法很多，例如耗散顆粒動(dòng)力學(xué)模擬方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是

2、根據(jù)Hoogerbrugge和Koelman提出的一種針對(duì)柔性(soft)球模型流體動(dòng)力學(xué)的模擬，并通過(guò)引入粒子間的諧振動(dòng)勢(shì)，來(lái)模擬聚合物的性質(zhì)；元胞動(dòng)力學(xué)方法（CDS），基于重整化群理論，對(duì)時(shí)間相關(guān)的Ginzburg-Landau方程直接用數(shù)值計(jì)算的方法在離散空間上進(jìn)行描述。其中單個(gè)元胞的演化通常用雙曲正切函數(shù)表示；動(dòng)態(tài)密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），應(yīng)用于高分子體系，建立在粗?；咚规溎Ｐ偷幕A(chǔ)上，實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的自洽場(chǎng)方法，使用了朗之萬(wàn)方程（Langevins equation）來(lái)描述體系演化的動(dòng)力學(xué)。（1）MS-Mesocite簡(jiǎn)介MS Mesocite是一個(gè)基于粗粒度模擬

3、方法的、可以對(duì)廣泛體系進(jìn)行模擬研究的分子力學(xué)工具集，模擬的對(duì)象大小尺寸在納米到微米尺度范圍，相應(yīng)地，模擬變化的時(shí)間范圍落在納秒至微秒?yún)^(qū)間。MS Mesocite的模擬對(duì)象遍及多種工業(yè)領(lǐng)域，比如復(fù)合材料、涂料、化妝品以及藥物控緩釋等，它可以提供流體在平衡態(tài)下、在有剪切力存在下以及其它受限制條件下的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。MS Mesocite的突出特點(diǎn)是使用完全區(qū)別于傳統(tǒng)介觀(guān)模擬技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用力場(chǎng)(Forcefield)方法比如MS Martini力場(chǎng)來(lái)描述粗粒度之間的相互作用，從而得到體系的結(jié)構(gòu)、和動(dòng)力學(xué)特性，分析函數(shù)主要有角度分布，密度分布，徑向分布函數(shù)，二面角分布，均方根位移等。同時(shí)，您還可以使

4、用力場(chǎng)編輯工具對(duì)MS Mesocite的力場(chǎng)進(jìn)行編輯，以獲得滿(mǎn)足特殊要求的力場(chǎng)，從而拓展了MS Mesocite的應(yīng)用范圍。應(yīng)用Mesocite進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，最主要的是得到精確的力場(chǎng)。Martini力場(chǎng)，是由Marrink提出的，可以應(yīng)用于生物分子體系。Martin力場(chǎng)中包括四種主要的力場(chǎng)類(lèi)型：極性（polar-P）、非極性（apolar-C）、無(wú)極性（nonpolar-N）、帶電（charged-Q）。每種力場(chǎng)類(lèi)型又分為若干子類(lèi)型，極性和非極性根據(jù)極性高低下分有五種類(lèi)型（用下坐標(biāo)1-5表示），無(wú)極性和帶電的更具氫鍵結(jié)合能力分為四種類(lèi)型（d-氫鍵供體，a氫鍵受體，da-兩個(gè)都有，o-都沒(méi)有

5、），這樣使得Martini力場(chǎng)能夠更加精確的描述體系性質(zhì)，應(yīng)用于更多不同的有機(jī)分子體系。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解介觀(guān)模擬方法及應(yīng)用領(lǐng)域2、了解Martini力場(chǎng)的3、掌握Mesocite模塊的基本操作三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以下以介觀(guān)動(dòng)力學(xué)模擬脂質(zhì)雙分子層為例，熟悉Mesocite的基本操作。1、打開(kāi)MS，選擇created new project，鍵入CG-bilayer作為工程的名稱(chēng)，點(diǎn)擊OK。本實(shí)例是在軟件所有參數(shù)在默認(rèn)的情況下進(jìn)行的，選擇Tools-Settings Organizer，選中CG-bilayer，點(diǎn)擊Reset。2、建脂質(zhì)分子，建模過(guò)程要用到Mesostructure toolbar，

6、如在工具欄中沒(méi)有此建模工具，點(diǎn)擊菜單欄中的view-toolbar-mesostructure，調(diào)出此建模工具。（1）點(diǎn)擊Bead Types按鈕，打開(kāi)Bead Types 對(duì)話(huà)框。點(diǎn)擊Properties按鈕，打開(kāi) Bead Type Properties 對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊Defaults按鈕，設(shè)置Mass為72，Radius為2.35，關(guān)閉Bead Type Defaults和Bead Type Properties對(duì)話(huà)框。在Bead Types對(duì)話(huà)框中，定義一下珠子類(lèi)型：C、GL、PO和NC，關(guān)閉對(duì)話(huà)框。（2）點(diǎn)擊Mesomolecule按鈕，打開(kāi)Build Mesomolecule對(duì)話(huà)框。

7、定義粗?；肿?，依次選擇4個(gè)C、1個(gè)GL、1個(gè)PO、1個(gè)GL和4個(gè)C，確定不選Randomize order within repeat unit，點(diǎn)擊Build按鈕。在Mesomolecule.xsd文件中左擊PO珠子，刪除Build Mesomolecule對(duì)話(huà)框中所有的珠子。選中Add to branch points，點(diǎn)擊more按鈕，打開(kāi)Mesomolecule Branches對(duì)話(huà)框。設(shè)置Number of branches to attach為1，關(guān)閉對(duì)話(huà)框。在Build Mesomolecule對(duì)話(huà)框中選擇1個(gè)NC。點(diǎn)擊Build按鈕。（在顯示面板中右擊，選擇Label，打開(kāi)l

8、abel對(duì)話(huà)框，在properties一欄中選擇BeadTypeName，點(diǎn)擊Apply，可以檢測(cè)建立的粗?；肿邮遣皇钦_，可以對(duì)比下圖。（3）關(guān)閉Build Mesomolecule對(duì)話(huà)框。在Project Explorer，把Mesomolecule.xsd文件名改為DPPC.xsd。我們得到以下粗?；肿咏Y(jié)構(gòu)：3、更改Martini力場(chǎng)，分配力場(chǎng)，優(yōu)化脂質(zhì)分子。（1）選擇Modules -Mesocite - Forcefield Manager或點(diǎn)擊Mesocite tools，選擇Forcefield Manage，選擇MS Martini，點(diǎn)擊，打開(kāi)力場(chǎng)文件。在Project E

9、xplorer中，把文件名改為MSMartiniCIS.off。（2）打開(kāi)MSMartiniCIS.off文件，點(diǎn)擊Interactions。在Show interaction下拉選項(xiàng)中選擇Angle Bend。在空白框中，設(shè)置Fi 和Fk 到Na 以及 Fj 到Qa。改變 Functional Form 為Cosine Harmonic設(shè)置TO為120，KO為10.8。關(guān)閉力場(chǎng)文件并保存。（3）選擇Modules | Mesocite | Calculation或點(diǎn)擊Mesocite tools選擇Calculation;打開(kāi)Mesocite Calculation對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊Energy，

10、在Forcefield的下拉選項(xiàng)中選擇Browse.，在Choose Forcefield對(duì)話(huà)框中選擇MSMartiniCIS.off。（4）打開(kāi)DPPC.xsd文件。按下ALT鍵，雙擊任意C類(lèi)型珠子，選中所有的C類(lèi)型珠子。在Mesocite Calculation對(duì)話(huà)框中，點(diǎn)擊More.打開(kāi)Mesocite Proparation options對(duì)話(huà)框，選擇C1，點(diǎn)擊Assign按鈕。重復(fù)此步，為GL、PO、NC分配力場(chǎng)，分配類(lèi)型如下表所示：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0選擇PO珠子，在

11、Properties Explorer中，設(shè)置Charge為-1，同樣把NC設(shè)置為1。（5）在Mesocite Calculation對(duì)話(huà)框中，點(diǎn)擊Setup，改變Task為Geometry Optimization。點(diǎn)擊Run按鈕。得到以下結(jié)構(gòu)：（6）在工具欄中，選擇Measure/Change按鈕，下拉選項(xiàng)中點(diǎn)擊Angel，依次點(diǎn)擊左邊的C-GL-PO,同樣選擇右邊的PO-GL-C。此時(shí)會(huì)顯示出兩個(gè)接近156.50的角度，選在兩個(gè)角度，在Properties Explorer中，設(shè)置Angels為230。按下ALT鍵，雙擊角度，按下Delete。得到以下分子結(jié)構(gòu)：（7）參照第二步，定義珠子

12、W，用Build Mesomolecule建模工具，建立一個(gè)僅包含W的粗?；肿?。更改文件名為solvent.xsd。4、建立雙分子層結(jié)構(gòu)。（1）選擇Build | Build Mesostructure | Mesostructure Template或點(diǎn)擊Mesostructure toolbar中的Mesostructure Template，打開(kāi)Build Mesostructure Template對(duì)話(huà)框。改變X、YExtents為64，Z Extent為100。在Filler中，鍵入solvent。點(diǎn)擊Build按鈕。在Build Mesostructure Template對(duì)話(huà)框

13、中，改變Former type為Slab。改變Depth為44.15，Orientation為Along Z。選中Enable surface packing;在Filler中鍵入lipid。點(diǎn)擊Add，關(guān)閉對(duì)話(huà)框。（2）選擇Build | Build Mesostructure | Mesostructure或點(diǎn)擊Mesostructure toolbar中的Mesostructure ，打開(kāi)Build Mesostructure對(duì)話(huà)框。solvent filler 中的Mesoscale Molecule，選擇solvent.xsd。lipid filler選擇優(yōu)化的DPPC.xsd。點(diǎn)擊

14、Packing，設(shè)置Length scale (L)為1，Density為0.00836；不選Randomize conformations。在Packing中，點(diǎn)擊More.按鈕，打開(kāi)Bead Packing Options對(duì)話(huà)框；雙擊打開(kāi)已經(jīng)優(yōu)化過(guò)的DPPC.xsd。選擇NC，點(diǎn)擊Create bead Head set from selection按鈕。按下CTRL + D取消選定，之后按下CTRL鍵，選擇尾部的兩個(gè)C珠子。在Bead Packing Options對(duì)話(huà)框中，改變Bead tag為T(mén)ail，點(diǎn)擊Create bead Tail set from selection。關(guān)閉對(duì)

15、話(huà)框。標(biāo)記后的DPPC結(jié)構(gòu)如下：（3）雙擊mesostructure template.msd。在Build Mesostructure對(duì)話(huà)框中，點(diǎn)擊Build按鈕。得到下圖所示結(jié)構(gòu)：（4）在菜單欄中選擇File | Export.，打開(kāi)Export對(duì)話(huà)框，在保存類(lèi)型下拉選項(xiàng)中選擇Materials Studio 3D Atomistic Files (*.xsd)，點(diǎn)擊Options.按鈕，打開(kāi)MSD/MTD Export Options對(duì)話(huà)框，設(shè)置Length scale為1，點(diǎn)擊OK。改變文件名為bilayer.xsd，保存在（I）：選擇當(dāng)前工程的根目錄下的CG-bilayer File

16、s/Documents。點(diǎn)擊保存（S）。此時(shí)在project explorer會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為bialyer.xsd的文件。（5）在菜單欄中選擇File | Save Project，選擇Window | Close All。5、體系優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在Project Explorer中，雙擊bilayer.xsd，打開(kāi)文件。（1）分配力場(chǎng)：如第三步中的第四小步，為每種粗粒子珠子分配力場(chǎng)，分配電荷。分配類(lèi)型如下表所示：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40（2）第一次構(gòu)型優(yōu)化打開(kāi)Mesoci

17、te Calculation對(duì)話(huà)框；點(diǎn)擊Energy按鈕，在summation method中的Electrostatic的下拉選項(xiàng)中選擇Bead based。確保Mesocite Calculation/Setup中的Task為Geometry Optimization；選中Mesocite Calculation/Jop Control中的Run inparallel on of i processors，把可用的CPU調(diào)到最大值（此后在幾何優(yōu)化過(guò)程，還是動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為了充分利用服務(wù)器，CPU都調(diào)到最大值）。點(diǎn)擊Run。（3）第二次構(gòu)型優(yōu)化雙擊打開(kāi)優(yōu)化過(guò)的bilayer.xsd在Mesoc

18、ite Calculation對(duì)話(huà)框中選擇Setup按鈕；點(diǎn)擊More.打開(kāi)Mesocite Geometry Optimization對(duì)話(huà)框，選中Optimize cell；關(guān)閉Mesocite Geometry Optimization對(duì)話(huà)框。點(diǎn)擊Run。（4）動(dòng)力學(xué)優(yōu)化雙擊打開(kāi)第二次優(yōu)化過(guò)的文件bilayer.xsd在Setup中，選擇Task為Dynamics，點(diǎn)擊More.按鈕，打開(kāi)Mesocite Dynamics對(duì)話(huà)框。設(shè)置Time step為20fs，Dynamic time 50ps，改變Ensemble為NPT。選擇Thermostat按鈕，設(shè)置Thermostat為Vel

19、ocity Scale。點(diǎn)擊Barostat按鈕，設(shè)置Barostat為Andersen。在Mesocite Calculation對(duì)話(huà)框中點(diǎn)擊Run。（5）第二次動(dòng)力學(xué)優(yōu)化雙擊打開(kāi)bilayer Mesocite Dynamics文件夾下的bilayer.xtd文件；在Mesocite Dynamics對(duì)話(huà)框中選擇Thermostat按鈕，設(shè)置Thermostat為Nose。設(shè)置Q ratio為1600。設(shè)置Time step為40fs，Dynamic time 200ps，點(diǎn)擊Dynamics按鈕，設(shè)置Frame output every為100steps。在Mesocite Calcul

20、ation對(duì)話(huà)框中，選中Restart；點(diǎn)擊Run。彈出警告對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊Yes。（6）選擇File | Save Project，選擇Window | Close All。6、結(jié)果分析，以角度分布和沿Z軸濃度分布為例。（1）角度分布： 雙擊打開(kāi)bilayer Mesocite Restart文件夾下的bilayer.xtd文件；雙擊打開(kāi)DPPC Mesocite GeomOpt文件夾下的DPPC.xsd文件。在DPPC.xsd下，用Measure/change工具，選擇下圖所示兩個(gè)角度。選擇GL-PO-GL鍵角。 在菜單欄中選擇Edit | Find Patterns，打開(kāi)Find Patte

21、rns對(duì)話(huà)框。定義優(yōu)化過(guò)的DPPC.xsd文件作為Pattern document，并且確定鍵角GL-PO-GL仍然被選中。改變Match property為BeadTypeName。打開(kāi)軌跡文件bilayer.xtd，點(diǎn)擊Find。點(diǎn)擊New Sets.按鈕，打開(kāi)Define New Set對(duì)話(huà)框，鍵入GL-PO-GL Angles，點(diǎn)擊OK按鈕。在bilayer.xtd文件中取消選定。同樣定義sets為 C-PO-C Angles。 選擇Modules | Mesocite | Analysis，或點(diǎn)擊mesocite tools，選擇Analysis；打開(kāi)Mesocite Analysi

22、s對(duì)話(huà)框，在Analysis選項(xiàng)中選擇Angle distribution；在Sets下選項(xiàng)中選擇GL-PO-GL Angles，點(diǎn)擊Analyze。同理，分析鍵角C-PO-C Angles。把數(shù)據(jù)拷貝到excel中，作圖可得：（2）Z方向濃度分布 雙擊打開(kāi)bilayer Mesocite Restart文件夾下的bilayer.xtd文件；選擇Edit |Edit sets，打開(kāi)Edit sets對(duì)話(huà)框，按下ALT鍵，雙擊任意W珠子，選中了所有的W珠子。在Edit sets對(duì)話(huà)框中，點(diǎn)擊New，打開(kāi)Define New Set對(duì)話(huà)框?qū)υ?huà)框，鍵入W，點(diǎn)擊OK。同理，定義Sets NC、PO、G

23、L、C。 選擇Modules | Mesocite | Analysis，或點(diǎn)擊mesocite tools，選擇Analysis；打開(kāi)Mesocite Analysis對(duì)話(huà)框，在Analysis選項(xiàng)中選擇Concentration profile；Sets選擇W，選中Specified direction (hkl)，改為0 0 1；點(diǎn)擊Analyze；同理分析NC、PO、GL、C。把數(shù)據(jù)拷貝到excel中，作圖可得：本實(shí)例為軟件幫助中的實(shí)例教程，參數(shù)設(shè)置原因可參考Help幫助文件。參考文獻(xiàn)：S.J. Marrink, H.J. Risselada, S. Yefimov, D.P. Tie

24、leman, A.H. de Vries., The MARTINI forcefield: coarse grained model for biomolecular simulations., J. Phys. Chem. B, 111:7812-7824, 2007.實(shí)驗(yàn)步驟及注意的問(wèn)題1、 構(gòu)建5種珠子C、GL、PO、NC、W，設(shè)置Mass為72，Radium為2.352、 構(gòu)建DPPC脂質(zhì)分子3、 構(gòu)建力場(chǎng)4、 給DPPC分子分配力場(chǎng)，優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，調(diào)整角度，獲得DPPC分子的最終構(gòu)型5、 構(gòu)建水分子構(gòu)型6、 構(gòu)建盒子7、 填充盒子8、 導(dǎo)出.xsd構(gòu)型文件9、 給盒子分配力場(chǎng)10、

25、 初步優(yōu)化盒子11、 選中optimized cell 進(jìn)一步優(yōu)化盒子（注意能量變化曲線(xiàn)，如太高，需進(jìn)一步優(yōu)化，一般需要優(yōu)化2-3次）12、 對(duì)優(yōu)化后的構(gòu)型進(jìn)行初步分子動(dòng)力學(xué)模擬（time step 20fs，Dynamic time 50ps）13、 改變參數(shù)設(shè)置，再次進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬（time step 40fs，Dynamic time 200ps）14、 在DPPC分子中選中GL-PO-GL以及C-PO-C兩個(gè)角度，選定find pattern，在.xtd軌跡文件中find所有的角度15、 對(duì)角度分布進(jìn)行分析16、 在.xtd軌跡文件edit sets，選定5種原子，對(duì)其濃度分布進(jìn)行分析。17、 將兩個(gè)角度分布導(dǎo)入EXCEL，將5中原子濃度分布導(dǎo)入EXCEL，分別作圖。四、作業(yè)1、模擬油水混合溶液的分層構(gòu)型，油選擇癸烷作為油相代表（1）構(gòu)建癸烷分