關于分子動力學模擬的初步認識摸金校尉主要內容分子動力學模擬概述

MD模擬所需條件勢函數與系綜牛頓運動方程及其求解一、分子動力學模擬概述

為什么要搞MD模擬

Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.實驗方法無法獲得過程中粒子微觀細節，成本高等計算機模擬指導定義分子動力學模擬（MolecularDynamicsSimulation）：通過計算機對原子核和電子所構成的多體體系中的微觀粒子之間相互作用和運動進行模擬，把每一原子核視為在全部其他的原子核和電子所構成的經驗勢場的作用下按照牛頓定律進行運動，進而得到體系中粒子的運動軌跡，再按照統計物理的方法計算得出物質的結構和性質等宏觀性能。任務：通過求解經典牛頓運動方程，計算一個經典多體體系的平衡和非平衡性質系統描述：粒子坐標x，速度（動量）v，受力f，時間t模擬體系大小：幾百到上百萬個粒子，對應于幾個到幾十個nm。MD模擬的一般過程構建構型動力學過程模擬構型性能計算結果分析勢函數系綜初始條件周期性邊界條件所需條件MS構建晶胞RDF,CN等二、勢函數與系綜原子間作用勢對勢（Pairpotential）：認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關多體勢（Many-bodyeffects）：在多原子體系中一個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、Lennard-Jones勢、Morse勢、Born-Lande勢及Johnson勢嵌入原子法（EAM勢）、多體相互作用勢（FS勢）、TB勢等勢函數簡介Lennard-Jones勢（LJ)間距為R的兩個原子總勢能：L-J勢能曲線σ和ε為因原子而異的勢能參數勢能最低點為r=21/6σ,σ大小表征原子間平衡距離。ε為由勢能最低點到勢能為0點的差。排斥項吸引項EAM勢（嵌入原子法）系統中能量：為第j個原子在i個原子處貢獻的電荷密度嵌入能對勢項是除第i個原子以外的所有其它原子的核外電子在第i個原子處產生的電子云密度之和：長程F-S勢函數對勢多體勢多體勢對勢對勢c:正的無量綱常數ε：有能量量綱的參數α：有長度量綱的參數m,n：正整數對于不同研究體系，5個參數取值不同系綜簡介系綜（Ensemble）：相空間中具有相同熱力學性質的所有點的集合。分類微正則系綜(microcanonicalensemble)--NVE系綜，孤立體系正則系綜(canonicalensemble)--NVT系綜，動量為0，封閉體系巨正則系綜(grandcanonicalensemble)--μVT系綜，開放體系吉布斯系綜(Gibbsensemble)--NPT系綜等壓等焓系綜（constant-pressure,constant-enthalpyensemble

）

--NPH系綜系綜調節系綜調節主要是指在進行分子動力學計算過程中，對溫度和壓力參數的調節調溫技術：Berendsen熱浴、速度標度、Gaussian熱浴、

Nose-Hoover熱浴調壓技術：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：模擬對象的起始位置，速度，執行溫度，積分步長等值得確定。直接關系到模擬計算的復雜程度。初始位置可采用能量最小化的方法取能量最低的結構為起點。均勻相的液態系統常取其晶體結構；不知道結構的可以以面心立方為起點初始速度由初始溫度下的Maxwell-Boltzmanndistribution隨機選取MD模擬所需條件周期性邊界條件（periodicboundarycondition）：是為了解決少數粒子來模擬宏觀體系的問題而引入的。模擬體系由基本單元在各個方向上重復疊合而成，模擬時只需保留基本單元，其他單元與基本單元由平移對稱性關聯。rc<L/2四、牛頓運動方程及其求解分子力場（ForceField）原子i在其它原子的作用勢場Ei(ri)

中運動總作用力：牛頓運動方程原子i受力：加速度：i原子經過t時間后的位置牛頓運動方程給定t=δt計算反復計算得軌跡δt一般為飛秒（femtosecond）級求解常用算法：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2.Leap-frog(蛙跳)算法3.Gear

算法（校正預測法-predictor–correctormethod)）v,a,b,為r的