分子動(dòng)力學(xué)模擬

關(guān)于分子動(dòng)力學(xué)模擬的初步認(rèn)識(shí)摸金校尉主要內(nèi)容分子動(dòng)力學(xué)模擬概述

MD模擬所需條件勢(shì)函數(shù)與系綜牛頓運(yùn)動(dòng)方程及其求解一、分子動(dòng)力學(xué)模擬概述

為什么要搞MD模擬

Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法獲得過(guò)程中粒子微觀細(xì)節(jié)，成本高等計(jì)算機(jī)模擬指導(dǎo)定義分子動(dòng)力學(xué)模擬（MolecularDynamicsSimulation）：通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)原子核和電子所構(gòu)成的多體體系中的微觀粒子之間相互作用和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，把每一原子核視為在全部其他的原子核和電子所構(gòu)成的經(jīng)驗(yàn)勢(shì)場(chǎng)的作用下按照牛頓定律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得到體系中粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，再按照統(tǒng)計(jì)物理的方法計(jì)算得出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等宏觀性能。任務(wù)：通過(guò)求解經(jīng)典牛頓運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算一個(gè)經(jīng)典多體體系的平衡和非平衡性質(zhì)系統(tǒng)描述：粒子坐標(biāo)x，速度（動(dòng)量）v，受力f，時(shí)間t模擬體系大?。簬装俚缴习偃f(wàn)個(gè)粒子，對(duì)應(yīng)于幾個(gè)到幾十個(gè)nm。MD模擬的一般過(guò)程構(gòu)建構(gòu)型動(dòng)力學(xué)過(guò)程模擬構(gòu)型性能計(jì)算結(jié)果分析勢(shì)函數(shù)系綜初始條件周期性邊界條件所需條件MS構(gòu)建晶胞RDF,CN等二、勢(shì)函數(shù)與系綜原子間作用勢(shì)對(duì)勢(shì)（Pairpotential）：認(rèn)為原子間的相互作用是兩兩之間的作用與其他原子的位置無(wú)關(guān)多體勢(shì)（Many-bodyeffects）：在多原子體系中一個(gè)原子的位置不同將影響其它原子間的有效相互作用硬球勢(shì)、Lennard-Jones勢(shì)、Morse勢(shì)、Born-Lande勢(shì)及Johnson勢(shì)嵌入原子法（EAM勢(shì)）、多體相互作用勢(shì)（FS勢(shì)）、TB勢(shì)等勢(shì)函數(shù)簡(jiǎn)介L(zhǎng)ennard-Jones勢(shì)（LJ)間距為R的兩個(gè)原子總勢(shì)能：L-J勢(shì)能曲線σ和ε為因原子而異的勢(shì)能參數(shù)勢(shì)能最低點(diǎn)為r=21/6σ,σ大小表征原子間平衡距離。ε為由勢(shì)能最低點(diǎn)到勢(shì)能為0點(diǎn)的差。排斥項(xiàng)吸引項(xiàng)EAM勢(shì)（嵌入原子法）系統(tǒng)中能量：為第j個(gè)原子在i個(gè)原子處貢獻(xiàn)的電荷密度嵌入能對(duì)勢(shì)項(xiàng)是除第i個(gè)原子以外的所有其它原子的核外電子在第i個(gè)原子處產(chǎn)生的電子云密度之和：長(zhǎng)程F-S勢(shì)函數(shù)對(duì)勢(shì)多體勢(shì)多體勢(shì)對(duì)勢(shì)對(duì)勢(shì)c:正的無(wú)量綱常數(shù)ε：有能量量綱的參數(shù)α：有長(zhǎng)度量綱的參數(shù)m,n：正整數(shù)對(duì)于不同研究體系，5個(gè)參數(shù)取值不同系綜簡(jiǎn)介系綜（Ensemble）：相空間中具有相同熱力學(xué)性質(zhì)的所有點(diǎn)的集合。分類微正則系綜(microcanonicalensemble)--NVE系綜，孤立體系正則系綜(canonicalensemble)--NVT系綜，動(dòng)量為0，封閉體系巨正則系綜(grandcanonicalensemble)--μVT系綜，開(kāi)放體系吉布斯系綜(Gibbsensemble)--NPT系綜等壓等焓系綜（constant-pressure,constant-enthalpyensemble

）

--NPH系綜系綜調(diào)節(jié)系綜調(diào)節(jié)主要是指在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程中，對(duì)溫度和壓力參數(shù)的調(diào)節(jié)調(diào)溫技術(shù)：Berendsen熱浴、速度標(biāo)度、Gaussian熱浴、

Nose-Hoover熱浴調(diào)壓技術(shù)：Berendsen方法、Anderson方法、Parrinello-Rahman方法三、MD模擬所需條件MD模擬所需條件初始條件：模擬對(duì)象的起始位置，速度，執(zhí)行溫度，積分步長(zhǎng)等值得確定。直接關(guān)系到模擬計(jì)算的復(fù)雜程度。初始位置可采用能量最小化的方法取能量最低的結(jié)構(gòu)為起點(diǎn)。均勻相的液態(tài)系統(tǒng)常取其晶體結(jié)構(gòu)；不知道結(jié)構(gòu)的可以以面心立方為起點(diǎn)初始速度由初始溫度下的Maxwell-Boltzmanndistribution隨機(jī)選取MD模擬所需條件周期性邊界條件（periodicboundarycondition）：是為了解決少數(shù)粒子來(lái)模擬宏觀體系的問(wèn)題而引入的。模擬體系由基本單元在各個(gè)方向上重復(fù)疊合而成，模擬時(shí)只需保留基本單元，其他單元與基本單元由平移對(duì)稱性關(guān)聯(lián)。rc<L/2四、牛頓運(yùn)動(dòng)方程及其求解分子力場(chǎng)（ForceField）原子i在其它原子的作用勢(shì)場(chǎng)Ei(ri)

中運(yùn)動(dòng)總作用力：牛頓運(yùn)動(dòng)方程原子i受力：加速度：i原子經(jīng)過(guò)t時(shí)間后的位置牛頓運(yùn)動(dòng)方程給定t=δt計(jì)算反復(fù)計(jì)算得軌跡δt一般為飛秒（femtosecond）級(jí)求解常用算法：Verlet算法，Leap-frog(蛙跳)算法,Gear

算法1.Verlet算法:將粒子位置以泰勒式展開(kāi)2.Leap-frog(蛙跳)算法3.Gear

算法（校正預(yù)測(cè)法-predictor–correctormethod)）v,a,b,為r的