1、計算材料學實驗講義粗粒度模擬實驗名稱：介觀動力學模擬 一、前言1、介觀模擬簡介長期以來，化學家致力于從分子水平研究物質及其變化，而化學工程工作者主要研究物質在宏觀體系的行為，介觀層次的化學正是聯系微觀及宏觀的橋梁， 是從分子到材料的必由之路，同生命過程也有密切的關聯。由于介觀模擬能夠模擬的空間尺度 （納米到微米）、時間尺度（納秒到微妙） 更大，應用介觀模擬方法可以模擬更加復雜的體系，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，高分子，生物大分 子相關的內容。目前介觀模擬的方法很多，例如耗散顆粒動力學模擬方法（dissipative particle dyna

2、mics, DPD）,它是根據 Hoogerbruggef口Koelman提出的一種針對柔性（soft）球 模型流體動力學的模擬，并通過引入粒子間的諧振動勢，來模擬聚合物的性質； 元胞動力學方法（CDS）,基于重整化群理論，對時間相關的 Ginzburg-Landau方 程直接用數值計算的方法在離散空間上進行描述。其中單個元胞的演化通常用雙曲正切函數表示；動態密度泛函方法（DDFT或MesoDyn）,應用于高分子體系， 建立在粗粒化高斯鏈模型的基礎上，實際上是一個動態的自洽場方法，使用了朗 之萬方程（Langevin s equatio冰描述體系演化的動力學。（1） MS-Mesocite 簡

3、介MS Mesocite是一個基于粗粒度模擬方法的、可以對廣泛體系進行模擬研究 的分子力學工具集，模擬的對象大小尺寸在納米到微米尺度范圍，相應地，模擬變化的時間范圍落在納秒至微秒區間。MS Mesocite的模擬對象遍及多種工業領域，比如復合材料、涂料、化妝品以及藥物控緩釋等，它可以提供流體在平衡態 下、在有剪切力存在下以及其它受限制條件下的結構與動力學性質。MS Mesocite的突出特點是使用完全區別于傳統介觀模擬技術，轉而采用力場（Forcefield）方法 一比如MS Martini力場一來描述粗粒度之間的相互作用，從而得到體系的結構、 和動力學特性，分析函數主要有角度分布，密度分布，

4、徑向分布函數，二面角分 布，均方根位移等。同時，您還可以使用力場編輯工具對MS Mesocite的力場進行編輯，以獲得滿足特殊要求的力場，從而拓展了MS Mesocite行編輯，以獲得滿足特殊要求的力場，從而拓展了MS Mesocite的應用范圍。應用mesocite進行動力學模擬時，最主要的是得到精確的力場。Martini力場，是由Marrink提出的，可以應用于生物分子體系。 Martin力場中包括四種主 要的力場類型：極性（polar-P）、非極性（apolar-C）、無極性（nonpolar-N）、帶 電（charged-Q。每種力場類型又分為若干子類型，極性和非極性根據極性高低 下分

5、有五種類型（用下坐標1-5表示），無極性和帶電的 更具氫鍵結合能力分為 四種類型（d-氫鍵供體，a氫鍵受體，da-兩個都有，o-都沒有），這樣使得Martini 力場能夠更加精確的描述體系性質，應用于更多不同的有機分子體系。 二、實驗目的1、了解介觀模擬方法及應用領域2、了解Martini力場的3、掌握mesocite基本原理4、掌握mesocite模塊的基本操作 三、實驗內容以下以介觀動力學模擬脂質雙分子層為例，熟悉mesocite的基本操作。1、打開MS,選擇created new project,鍵入CG-bilayer作為工程的名稱，點擊 OK o本實例是在軟件所有參數在默認的情況下進

6、行的，選擇Tools-SettingsOrganizer,選中 CG-bilayer,點擊 Reset- -E 2、建脂質分子，建模過程要用到 Mesostructure toolbar競 置ES ,如在 工具欄中沒有此建模工具，點擊菜單欄中的 view-toolbar-mesostructure,調出此 建模工具。（1）點擊Bead Types按鈕 黑,打開Bead Types對話框。點擊 Properties 按鈕，打開 Bead Type Properties 對話框，點擊 Defaults 按鈕,設置 Mass為 72, Radius 為 2.35,關閉 Bead Type Defau

7、lts 和 Bead Type Properties 對話框。在Bead Types對話框中，定義一下珠子類型：C、GL、PO和NC,關閉對話框。（2）點擊 Mesomolecule按鈕獨,打開 Build Mesomolecule 對話框。定義粗粒化分子，依次選擇 4個C、1個GL、1個PO、1個GL和4個C, 確定不選 Randomize order within repeat unit 點擊 Build 按鈕。在Mesomolecule.xsd文件中左擊 PO珠子，刪除Build Mesomolecule對話框 中所有的珠子。選中 Add to branch points, 點擊 mor

8、e按鈕，打開 Mesomolecule Branches 對話框。設置 Number of branches to attach 1,關閉對話框。在Build Mesomolecule對話框中選擇1個NC。點擊Build按鈕。(在顯示面 板中右擊，選擇Label,打開label對話框，在properties一欄中選擇BeadTypeName 點擊Apply,可以檢測建立的粗粒化分子是不是正確，可以對比下圖。(3)關閉 Build Mesomolecule 對話框。在 Project Explorer,把 Mesomolecule.xsd 文件名改為DPPC.xsdo我們得到以下粗粒化分子結構：

9、3、更改Martini力場，分配力場，優化脂質分子(1)選擇 Modules -Mesocite - Forcefield Manager或點擊 Mesocite tool齷，選擇Forcefield Manage,選擇 MS Martini，點擊,打開力場文件。在 Project Explorer 中，把文件名改為MSMartiniCIS.off。(2)打開 MSMartiniCIS.off 文件，點擊 Interactions。在 Show interaction 下拉選 項中選擇Angle Bendo在空白框中，設置 Fi和Fk到Na以及Fj到Qa。改變 Functional Form

10、為 Cosine Harmonic設置 TO 為 120, KO 為 10.8。保存并關閉力 場文件。(3)選擇 Modules (3)選擇 Modules | Mesocite | Calculation 或點擊Mesocite tools選擇Calculation;打開Mesocite Calculation對話框，點擊Energy,在Forcefield的下拉選項中 選擇 Browse.,在 Choose Forcefield對話框中選擇 MSMartiniCIS.off。(4)打開DPPC.xsd文件。按下ALT鍵，雙擊任意C類型珠子，選中所有的 C 類型珠子。在 Mesocite C

11、alculation對話框中，點擊 More打開 Mesocite Proparationoptions對話框,選擇 C1,點擊Assign按鈕重復此步，為GL、PO、NC分配力場，分配類型如下表所示:BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0選擇PO珠子，在Properties Explorer中，設置Charge為-1,同樣把NC設 置為1。(5)在 Mesocite Calculation 對話框中，點擊 Setup,改變 Task 為 GeometryOptimization。點擊Run按鈕。

12、得到以下結構:(6)在工具欄中，選擇 Measure/ChangeR鈕下拉選項中點擊 AngeM ,依次點擊左邊的 C-GL-PO,同樣選擇右邊的 PO-GL-Co此時會顯示出兩個接近 156.50的角度，選在兩個角度，在 Properties Explorer中，設置 Angels為230。 按下ALT鍵，雙擊角度，按下Delete。得到以下分子結構：(7)參照第二步，定義珠子 W,用Build Mesomolecule建模工具，建立一個僅 包含W的粗粒化分子。更改文件名為 solvent.xsd。4、建立雙分子層結構。(1)選擇 Build | Build Mesostructure |

13、Mesostructure Templates點擊 Mesostructuretoolbar中的 Mesostructure Template toolbar中的 Mesostructure Template ,Build點擊改變toolbar 口 罰 點擊改變toolbar 口 罰 U框。中的 Mesostructure,打開 Build Mesostructure對話Mesostructure Template寸話框。改變 X、YExtents 為 64, Z Extent 為 100。在 Filler 中，鍵入 solvent。Build按鈕。在 Build Mesostructure

14、Template對話框中，改變 Former type 為 Slab。Depth 為 44.15, Orientation 為 Along Z。選中 Enable surface packing;在Filler中鍵入lipid。點擊Add,關閉對話框。(2)選擇 Build | Build Mesostructure | Mesostructure 或點擊 Mesostructuresolvent filler 中的 Mesoscale Molecule,選擇 solvent.xsd。lipid filler 選擇優化的 DPPC.xsd。點擊 Packing,設置 Length scale

15、(L)為 1, Density 為 0.00836;不選 Randomize conformations在 Packing 中，點擊 More.按鈕，打開 Bead Packing Options對話框；雙擊打開已經優化過的 DPPC.xsd。選擇NC,點擊Create bead Head set from selection按下CTRL + D取消選定，之后按下CTRL鍵，選擇尾部的兩個C珠子。在 Bead Packing Options對話框中,改變 Bead tag為 Tail,點擊 Create bead Tail set from selection。關閉對話框。標記后的DPPC結構

16、如下：(3)雙擊 mesostructure template.msd在 Build Mesostructure 對話框中，點擊 Build 按鈕。得到下圖所示結構：(4)在菜單欄中選擇File | Export.,打開Export對話框，在保存類型下拉選項 中選擇 Materials Studio 3D Atomistic Files (*.xsd),點擊 Options.按鈕，打開 MSD/MTD Export Options 對話框，設置 Length scale為 1,點擊 OK。改變文件名為 bilayer.xsd,保存在(I):選擇當前工程的根目錄下的 CG-bilayer Fil

17、es/Documents。點擊保存(S)。此時在 project explorer 會出現一個 名為bialyer.xsd的文件。(5)在菜單欄中選擇 File | Save Project 選擇 Window | Close All。5、體系優化及動力學過程。在 Project Explorer 中,雙擊 bilayer.xsd,打開文件。(1)分配力場：如第三步中的第四小步，為每種粗粒子珠子分配力場，分配電荷。分配類型如下表所示:BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40(2)第一次構型優

18、化打開 Mesocite Calculation 對話框；點擊 Energy按鈕，在 summation method中的 Electrostatic的下拉選項中選擇 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調到最大值(此后在幾何優化過程，還是動力學過程， 為了充分利用服務器，CPU都調到最大值)。點擊Run。(3)第二次構型優化雙擊打

19、開優化過的bilayer.xsd在Mesocite Calculation對話框中選擇 Setup按鈕；點擊 More打開 Mesocite Geometry Optimization對話框，選中 Optimize cell;關閉 Mesocite Geometry Optimization 對話框。點擊Run。(4)動力學優化雙擊打開第二次優化過的文件 bilayer.xsd在Setup中，選擇 Task為 Dynamics,點擊 More按鈕，打開 Mesocite Dynamics 對話框。設置 Time step為 40fs,改變 Ensemble為 NPT。選擇 Thermostat

20、按鈕，設置 Thermostat為 Velocity Scale點擊 Barostat按鈕，設置 Barostat 為 Andersen。 在 Mesocite Calculation對話框中點擊 Run。bi layer. xtd(5)第二次動力學優化bi layer. xtd雙擊才T開bilayer Mesocite Dynamics文件夾下的件；在 Mesocite Dynamics 對話框中選擇 Thermostat 按鈕，設置 Thermostat 為 Nose設置 Q ratio 為 1600。點擊 Dynamics 按鈕，設置 Frame output every為 250ste

21、ps在 Mesocite Calculation對話框中，選中 Restart；點擊Run。彈出警告對話框，點擊Yes(6)選擇 File | Save Project 選擇 Window | Close All。6、結果分析，以角度分布和沿Z軸濃度分布為例。(1)角度分布：雙擊打開bilayer Mesocite Restart文件夾下的bilayer.xtd文件；雙擊才T開DPPC Mesocite GeomOpt文件夾下的DPPC.xsd文件。在DPPC.xsd下，用Measure/change工具，選擇下圖所示兩個角度。選擇 GL-PO-GL 鍵角。在菜單欄中選擇 Edit | Fin

22、d Patterns,打開Find Patterns對話框。定義優化過的 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打開軌跡文件bilayer.xtd,點擊Find。點擊 New Sets.按鈕，打開 Define New Set對話框，鍵入 GL-PO-GL Angles,點擊OK按鈕在bilayer.xtd文件中取消選定。選擇 Analysis;同樣定義 sets 為 選擇 Analysis;3) 選擇 Modules | Mesocite | Analysis, 或,點擊 mesocite tool打開 Mesocite Analysis對話框,在 Analysis