分子動力學簡介(簡明)ppt課件.ppt

1、,分子模擬及分子動力學簡介,1,什么是分子模擬,什么是分子模擬 分子模擬是在分子模型的基礎上用計算機做實驗，“計算機實驗” 通過模擬微觀粒子的運動來計算宏觀性質(zhì),溫度 壓力 黏度 傳遞性質(zhì) 表面張力 ,分子間的作用模型,牛頓力學 量子力學 統(tǒng)計力學等,2,分子模擬的雙重性質(zhì),分子模擬具有理論和實驗的雙重性質(zhì),分子模擬不能完全取代實驗,理論,實驗,模擬,理論的正確性,模擬參數(shù)的正確性,模擬方法的選擇 理論的更新,3,分子模擬的大致分類,與自然界相比的準確程度,尺度（米）,時間（秒）,10-9,10-7,10-5,10-3,10-15,10-9,10-6,10-3,1,電子模擬（量化計算，DFT）

2、,分子模擬（分子動力學，蒙特卡洛）,顆粒方法,流體力學,4,量子力學模擬：ab initio,原子結構,薛定諤方程,模擬電子云,能量性質(zhì)，化學鍵等信息,量子化學計算 一般處理幾個到幾十個原子 常見軟件：GAUSSIAN，NWCHEM等 密度泛函（DFT） 可以算到上百個原子 常見軟件：VASP,5,分子級別的模擬,分子水平的模擬 以分子的運動為主要模擬對象 采用經(jīng)驗性的分子間作用函數(shù)模擬微粒之間的作用 一般情況下不考慮電子轉(zhuǎn)移效應，因而不能準確模擬化學成鍵作用 發(fā)展最早 1950s，Alder，勞倫斯利物默實驗室，分子動力學模擬32個原子 1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯實驗室，

3、蒙特卡洛模擬32個原子 分子級別的模擬應用的領域很廣 廣泛應用于化學，物理，生物，化工，材料，機械，治藥等領域 簡單易學,6,蒙特卡洛方法,蒙特卡洛是一種優(yōu)化方法 通過蒙特卡洛算法來尋求能量最優(yōu)點 隨機方法 通過系綜平均來求取宏觀性質(zhì) 模擬的是平衡狀態(tài)，不涉及時間效應（KMC除外） 優(yōu)點是可以跨越時間因素，缺點是得不到有關時間信息的性質(zhì),7,分子動力學,可以模擬平衡狀態(tài)，也可以模擬中間狀態(tài) 可以獲得有關時間的信息 受時間的限制，無法模擬緩慢過程,分子體系 （幾百幾億）,求解牛頓運動方程,宏觀性質(zhì),8,CPMD:考慮量子效應的分子動力學,同時考慮原子核的運動（牛頓力學）和電子的運動（量子力學）

4、能同時準確模擬物理作用和化學鍵作用 目前來說CPMD可以處理的體系還很?。◣资畟€原子）,9,顆粒方法（Coarse Grain）,將分子基團（幾個或者幾十上百個原子）當成單個的微粒來處理 微粒之間的作用也是通過類似于分子動力學的未能函數(shù)來描述 可以模擬更長的時間跨度,電子,原子核,原子,量子級別模擬,分子級別模擬,CG級別模擬,10,分子動力學簡介,11,勢能模型,分子動力學對勢能函數(shù)的依賴性：所有從分子動力學計算出來得到的宏觀性質(zhì)最終都取決于勢能模型,分子動力學的核心：牛頓運動方程,勢能（位能）模型：,12,簡單分子的勢能模型,r,U,r,例：甲烷，某些惰性氣體,質(zhì)點處理,U,r,方阱模型,

5、U,r,階梯模型,13,復雜分子的勢能模型,鍵的振動,鍵角,扭矩,分子內(nèi)部各原子（基團）之間的范德華力、靜電力 一般要計算1-4（相隔超過兩個鍵的原子或基團對）,1,5,4,3,2,14,復雜分子的勢能模型,q,q,q,分子之間的范德華力,分子之間的靜電力,15,例子：丙烷,C,C,C,H,H,H,H,H,H,H,H,10根鍵長作用 18個鍵角作用 8個扭矩作用 27個范德華力作用 27個靜電作用,16,鍵長,Morse類鍵長模型,能量阱深參數(shù),鍵長,平衡鍵長參數(shù),胡克類鍵長模型,鍵長,平衡鍵長參數(shù),17,鍵角,胡克類鍵角模型,鍵角,平衡鍵角參數(shù),18,扭矩,扭矩障礙參數(shù),扭動360度所經(jīng)過的

6、能量最低點的次數(shù),19,范德華力,Lennard-Jones模型,U,r,20,不同類別原子之間的作用,混合規(guī)則,A,B,A,B,通常都取1,21,靜電力,一般情況下只考慮點電荷之間的作用力 不考慮極化作用所帶來的長程項的作用,分子A的點電荷總數(shù),分子B的點電荷總數(shù),22,周期邊界條件,用有限的微觀分子體系模擬實際宏觀體系的必要手段,3,2,1,4,3,4,2,1,2,1,計算周期邊界條件下兩個 微粒之間的作用,宏觀體系,微觀體系,23,靜電力的長程校正,主盒,影子,影子,影子,Ewald方法 Particle Mesh Ewald 方法（PME) 計算量很大,24,多體作用,B,A,C,處理

7、方法,25,模型參數(shù)的獲得,通過量子化學模擬回歸得到 點電荷 范德華力 鍵長、鍵角、扭矩力 實驗數(shù)據(jù)回歸 鍵長 鍵角 范德華力,26,分子動力學程序的一般步驟,初始化,能量優(yōu)化,平衡,數(shù)據(jù)產(chǎn)出,避免局部分子重疊， 并不是動力學模擬,根據(jù)所有分子的當前坐標計算個分子的受力（位能函數(shù)） 根據(jù)受力更新分子的坐標 在此過程中收集用來計算宏觀性質(zhì)的有關信息,讀入模型參數(shù)，模擬控制參數(shù),27,初始能量優(yōu)化方法,去除某些可能存在的原子重疊 去除某些嚴重扭曲的鍵長、鍵角、扭矩等 方法 最速下降法 牛頓拉夫森方法 其他 一般優(yōu)化幾千到幾萬步,28,積分方法,Verlet法 簡單易行，但是有精度損失 Leap-f

8、rog法，Verlet法的變種 速度Verlet法 和Verlet法相比，可以同時獲得位置、速度、加速度，而且沒有精度損失 Beeman算法，速度計算精度更高，但是計算量大 預測-校正法 算法選擇 精度和運算量的折衷,29,步長,體系 原子體系 剛性分子體系 非剛性分子，剛性鍵 非剛性分子,涉及到的分子運動 平動 平動、轉(zhuǎn)動 平動、轉(zhuǎn)動、扭矩 平動、轉(zhuǎn)動、扭矩、振動,建議步長 10 fs 5 fs 2 fs -1 fs,30,復合步長,不同性質(zhì)的作用力采取不同的步長 最常見的方法：r-RESPA 成功用于多種體系，簡單流體，有機分子體系，蛋白質(zhì)等 和普通速度Verlet法相比，對于復雜分子體系

9、（高分子，生物分子等），r-RESPA可以大大加快運算速度，步長可以達到1-2 fs,31,SHAKE，RATTLE,為保證原子各自運動時分子的整體性而添加的分子內(nèi)部的約束條件算法 最常見的是針對氫原子，因為氫原子很高的振動頻率 Verlet算法：SHAKE 速度Verlet算法：RATTLE,32,NVE模擬,NVE，最簡單的分子動力學 E=K+U 恒定體積，而且和外界沒有能量或者物質(zhì)交換，只有動能和勢能之間的轉(zhuǎn)換 通過監(jiān)視各能量項的變化，可以檢查程序是否基本正確,33,溫度的計算,體系總動能和體系溫度的關系,原子總數(shù),體系總的約束條件數(shù),自由度,模擬開始時，體系中各微粒的初始速度也是可以根

10、據(jù)這個關系計算,微粒 i 的動量,微粒 i 的質(zhì)量,34,壓力的計算,壓力與分子間的作用勢能的關系,理想氣體,分子間的作用造成的剩余壓力,維利系數(shù)W的計算,35,其他常見性質(zhì),擴散系數(shù),二元徑向分布函數(shù),x,t,x,通過斜率求取D,實際位置，不是PBC后的位置,36,NVT：溫度的控制,速度調(diào)節(jié) 簡單scale v=v*(T0/T(t)1/2 Berendsen法 增加調(diào)節(jié)參數(shù) 重新隨機設置速度 每隔一定步數(shù)，按照控制溫度隨機抽取一組高斯速度分布,熱量交換,37,NVT：溫度的控制,Nose-Hoover法 將交換熱源也當成體系的一部分進行積分 產(chǎn)生嚴格的NVT系綜,38,NPT：壓力控制,控

11、制體積,活塞,類似于溫度控制 通過調(diào)節(jié)體系的體積來調(diào)節(jié)壓力 壓力的控制比溫度更難，因為壓力和能量的微分量（力）成正比，每一步的波動更大,39,簡單小型體系,氣體的模擬 小分子體系，不需要復雜的勢能模型 幾百到幾千個分子，分子分布稀疏，大部分是短程作用 一般用一臺微機就可以處理，計算時間幾分鐘幾小時 簡單的液體，不涉及太多的界面性質(zhì) 小分子體系，勢能模型不是很復雜 幾百個分子，可能涉及到靜電作用，可能需要長程校正 用微機也可以處理，計算時間一般幾小時幾天,40,大型（復雜）體系和并行算法,必要性 體系越來越大 模擬時間越來越長 解決辦法 制造更快的處理器 并行計算機,例子：50000原子的生物體

12、系，1ns模擬 單個處理器：12天 16個并行處理器：1天,或者,41,MPI,Message Passing Interface 90年代初制定和完善的一套并行語法 支持Fortran, C, C+ 簡單易學,42,并行計算的主要矛盾,并行效率,需要1小時,需要1/2小時,完美的并行效率,處理器的速度遠遠超過數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋罅康臅r間花在處理器之間的信息傳遞上了 CPU的速度幾乎是幾何級數(shù)增長 內(nèi)存的速度是代數(shù)級數(shù)增長 加快數(shù)據(jù)傳輸，盡量減少花在數(shù)據(jù)傳輸上的時間 數(shù)據(jù)傳輸硬件上的進步 算法上做文章,43,數(shù)據(jù)復制法,每一個處理器負責處理一部分原子 每一步計算每一個處理器都要接受其它處理器負責

13、處理的原子的相關信息 信息傳輸量大，使用的處理器越多并行效率效率越低 一般適合處理5-10萬左右微粒的體系,N=20,n=15,n=610,n=1620,n=1115,1,20,14,8,12,9,19,6,16,13,15,5,2,7,17,4,11,3,10,18,實際情況,44,區(qū)域分解法,按照體系的實際物理位置按區(qū)域劃分每個處理器的處理范圍 每一步計算每一個處理器只需要和相鄰的處理器交換信息 數(shù)據(jù)傳輸量小，并行效率高，適合處理大型體系（超過10萬微粒） 算法比較復雜（邊界的處理）,N=20,1,20,14,8,12,9,19,6,16,13,15,5,2,7,17,4,11,3,10,

14、18,45,幾種常見的針對軟材料模擬分子動力學軟件,46,NAMD,主要針對與生物和化學軟材料體系 優(yōu)點 程序設計水平高，計算效率高，號稱可以有效并行到上千個處理器 兼容多種輸入和輸出文件格式，有很好的分析輔助軟件VMD 有很好的維護服務 不需安裝 免費 缺點 萬一需要自己安裝的話比較麻煩,/Research/namd/,47,AMBER,主要針對生物體系，也適當兼容一般化學分子 優(yōu)點 有很好的內(nèi)置勢能模型 自定義新模型和新分子很方便 有很完善的維護網(wǎng)站 缺點 計算效率不高（收斂到16個處理器），運算速度慢 $400,http:/amber.scrip

15、,48,CHARMM,主要針對生物體系，也包含部分化學體系 優(yōu)點 勢能模型更新很快 自定義新模型比較方便 維護服務很好 缺點 運算速度慢，計算效率低 $600,/,49,TINKER,一般性分子動力學軟件，對生物體系略有偏重 優(yōu)點 支持多種模型 免費 缺點 仍在開發(fā)中，某些方面還不完善,/tinker/,50,LAMMPS,一般性分子模擬軟件 優(yōu)點 兼容當前大多數(shù)的勢能模型 編程水平高，計算效率高（比NAMD差，強于其他所有類似軟件） 可以模擬軟材料和固體物理系統(tǒng) 免費 缺點 維護差,http:/w

16、/sjplimp/lammps.html,51,DL-POLY,一般性分子模擬軟件 優(yōu)點 界面友好 計算效率高（有兩個版本供選擇，適合于不同大小的體系） 維護服務很好 缺點 兼容性不好 100英鎊,http:/www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/,52,GROMACS,主要針對生物體系，也適當照顧一般化學體系 優(yōu)點 算法好，計算效率高 界面友好 維護服務好 免費軟件 缺點 兼容性不好,/,53,應用舉例：C60和DNA的作用,54,背景,納米顆粒一般是人工合成物質(zhì) 納米管，納米

17、球，納米棒等等 納米顆粒在生物醫(yī)學方面的應用(PNAS, v99, p6645, 2002) 藥物輸送，基因輸送 納米顆粒的生物安全性 (Science, v300,p243, 2003) C60在魚類腦部的累計 (Environmental Health Perspectives, v112, p1058, 2004) C60導致老鼠的肺部病癥 (Toxicol. Sci. v77, p117, p126, 2004) 用分子動力學研究C60和基因分子的作用,55,勢能模型和模擬方法,MD引擎 NAMD 靜電力-PME 恒溫 (300 K) 衡壓 (1 bar) 時間步長 = 2 fs 離子

18、-中和體系 模擬時間 4-20 ns,DNA模型 AMBER 99 雙鏈, 12-20 堿基對 單鏈, 12-20 堿基 C60, sp2 碳原子用LJ 模型模擬 溶劑 4600到6000水分子 TIP3P模型,56,典型的起始結構,水，離子,水，離子,三個方向施加周期邊界條件,57,一個典型的MD過程, DNA/C60,1 ns 的動畫,起始結構,58,C60和DNA的作用,C60和DNA能相互吸引，形成穩(wěn)定的雜化結構 二者的最初作用一般發(fā)生在1-2納秒之內(nèi),C60和B-DNA之間的距離和時間的函數(shù),C60和A-DNA之間的距離與時間的函數(shù),59,結合能,C60和DNA分子之間典型的結合能大

19、約在15-40 kcal/mol, 取決于二者的相對作用位置和結合點 C60和DNA分子之間的結合能遠大于熱波動kT (0.6 kcal/mol) 同時也遠大于在同等模擬環(huán)境下C60和C60之間的結合能 (7.5 kcal/mol),60,C60和B型DNA之間的作用,C60吸附于DNA側(cè)面,C60吸附于DNA尾部,C60和B-DNA形成穩(wěn)定的結合體，一般的結合能在20-40kcal/mol 比較穩(wěn)定的結合部位在DNA的尾部或者側(cè)面（minor grooves）,61,C60和A型DNA,C60進入DNA尾部,C60和A型DNA的側(cè)面和尾部結合，而且，C60可以進入A型DNA的尾部,62,C6

20、0和A-DNA,如果沒有C60吸附，尾部的堿基對形成氫鍵的原子對之間的距離,穿入DNA尾部的C60破壞了DNA尾部的堿基對的氫鍵,C60進入DNA尾部后，尾部的堿基對形成氫鍵的原子對之間的距離,63,C60對DNA結構的影響,變形的角度,吸附在A型DNA側(cè)面的DNA使得DNA堿基對之間的相對結構變形。本應平行的堿基對變形形成了一個大約20度的角,64,C60和單鏈DNA的作用,C60和單鏈DNA之間的結合導致單鏈DNA的嚴重變形 C60被單鏈DNA的某些部分包圍，疏水的堿基平面和C60緊密接觸 C60和單鏈DNA的結合能大約在20到30 kcal/mol,65,結合部位水的結構,C60和DNA之間結合的驅(qū)動力是疏水作用,DNA親