分子動(dòng)力學(xué)（結合物理、數學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)）
次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20
來(lái)源 ：網(wǎng)絡(luò )整理
精選百科
本文由作者推薦
分子動(dòng)力學(xué)
結合物理、數學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)
分子動(dòng)力學(xué)是一門(mén)結合物理，數學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)。分子動(dòng)力學(xué)是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學(xué)來(lái)模擬分子體系的運動(dòng)，以在由分子體系的不同狀態(tài)構成的系綜中抽取樣本，從而計算體系的構型積分，并以構型積分的結果為基礎進(jìn)一步計算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀(guān)性質(zhì)。
基本信息
| 中文名 | 分子動(dòng)力學(xué) |
| 外文名 | Molecular Dynamics——MD |
| 1957年 | 基于剛球勢的分子動(dòng)力學(xué)法 |
| 1977年 | 約束動(dòng)力學(xué)方法（Rychaert等） |
| 1964年 | 質(zhì)點(diǎn)系-擴張(Rahman)1971年 |
簡(jiǎn)史
分子動(dòng)力學(xué)
1971年：剛體系への拡張(RahmanandStillinger)
1977年：約束動(dòng)力學(xué)方法（Rychaert等）
1980年：恒壓條件下的動(dòng)力學(xué)方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）
1983年：非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)方法(GillanandDixon)
1984年：恒溫條件下的動(dòng)力學(xué)方法（能勢‐フーバーの方法）
1985年：第一原理分子動(dòng)力學(xué)法（→カー?パリネロ法）
1991年：巨正則系綜的分子動(dòng)力學(xué)方法(CaginandPettit)
基本步驟
確定起始構型
進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的第一步是確定起始構型，一個(gè)能量較低的起始構型是進(jìn)行分子模擬的基礎，一般分子的起始構型主要來(lái)自實(shí)驗數據或量子化學(xué)計算。
在確定起始構型之后要賦予構成分子的各個(gè)原子速度，這一速度是根據波爾茲曼分布隨機生成的，由于速度的分布符合波爾茲曼統計，因此在這個(gè)階段，體系的溫度是恒定的。另外，在隨機生成各個(gè)原子的運動(dòng)速度之后須進(jìn)行調整，使得體系總體在各個(gè)方向上的動(dòng)量之和為零，即保證體系沒(méi)有平動(dòng)位移。
進(jìn)入平衡相
由上一步確定的分子組建平衡相，在構建平衡相的時(shí)候會(huì )對構型、溫度等參數加以監控。
進(jìn)入生產(chǎn)相
進(jìn)入生產(chǎn)相之后體系中的分子和分子中的原子開(kāi)始根據初始速度運動(dòng)，可以想象其間會(huì )發(fā)生吸引、排斥乃至碰
分子動(dòng)力學(xué)
步驟
以下是做模擬的一般性步驟，具體的步驟和過(guò)程依賴(lài)于確定的系統或者是軟件，但這不影響我們把它當成一個(gè)入門(mén)指南：
1）首先我們需要對我們所要模擬的系統做一個(gè)簡(jiǎn)單的評估, 三個(gè)問(wèn)題是我們必須要明確的：
做什么（what to do）為什么做（why to do）怎么做（how to do）
2）選擇合適的模擬工具，大前提是它能夠實(shí)現你所感興趣的目標，這需要你非常謹慎的查閱文獻，看看別人用這個(gè)工具都做了些什么，有沒(méi)有和你相關(guān)的，千萬(wàn)不要做到一半才發(fā)現原來(lái)這個(gè)工具根本就不能實(shí)現你所感興趣的idea，切記！
考慮1：軟件的選擇，這通常和軟件主流使用的力場(chǎng)有關(guān)，而軟件本身就具體一定的偏向性，比如說(shuō)，做蛋白體系，Gromacs，Amber，Namd均可；做DNA, RNA體系，首選肯定是Amber；做界面體系，Dl_POLY比較強大，另外做材料體系，Lammps會(huì )是一個(gè)不錯的選擇
考慮2：力場(chǎng)的選擇。力場(chǎng)是來(lái)描述體系中最小單元間的相互作用的，是用量化等方法計算擬合后生成的經(jīng)驗式，有人會(huì )嫌它粗糙，但是它確確實(shí)實(shí)給我們模擬大系統提供了可能，只能說(shuō)關(guān)注的切入點(diǎn)不同罷了。常見(jiàn)的有三類(lèi)力場(chǎng)：全原子力場(chǎng)，聯(lián)合力場(chǎng)，粗粒化力場(chǎng)；當然還有所謂第一代，第二代，第三代力場(chǎng)的說(shuō)法，這里就不一一列舉了。
再次提醒注意：必須選擇適合于我們所關(guān)注體系和我們所感興趣的性質(zhì)及現象的力場(chǎng)。
3）通過(guò)實(shí)驗數據或者是某些工具得到體系內的每一個(gè)分子的初始結構坐標文件，之后，我們需要按我們的想法把這些分子按照一定的規則或是隨機的排列在一起，從而得到整個(gè)系統的初始結構，這也是我們模擬的輸入文件。
分子動(dòng)力學(xué)
5）體系的大小通常由你所選用的box大小決定，我們必須對可行性與合理性做出評估，從而確定體系的大小，這依賴(lài)于具體的體系，這里不細說(shuō)了。6）由于初始構象可能會(huì )存在兩個(gè)原子挨的太近的情況（稱(chēng)之為bad contact），所以需要在正式模擬開(kāi)始的第一步進(jìn)行體系能量最小化，比較常用的能量最小化有兩種，最速下降法和共軛梯度法，最速下降法是快速移除體系內應力的好方法，但是接近能量極小點(diǎn)時(shí)收斂比較慢，而共軛梯度法在能量極小點(diǎn)附近收斂相對效率高一些，所有我們一般做能量最小化都是在最速下降法優(yōu)化完之后再用共軛梯度法優(yōu)化，這樣做能有效的保證后續模擬的進(jìn)行。
7）以平衡態(tài)模擬為例，你需要設置適當的模擬參數，并且保證這些參數設置和力場(chǎng)的產(chǎn)生相一致，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，gromos力場(chǎng)是用的范德華勢雙截斷來(lái)定范德華參數的，若你也用gromos力場(chǎng)的話(huà)也應該用雙截斷來(lái)處理范德華相互作用。常見(jiàn)的模擬思路是，先在NVT下約束住你的溶質(zhì)（劑）做限制性模擬，這是一個(gè)升溫的過(guò)程，當溫度達到你的設定后, 接著(zhù)做NPT模擬，此過(guò)程將調整體系的壓強進(jìn)而使體系密度收斂。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的平衡模擬，在確定系統弛豫已經(jīng)完全消除之后，就可以開(kāi)始取數據了。如何判斷體系達到平衡，這個(gè)問(wèn)題是比較技術(shù)性的問(wèn)題，簡(jiǎn)單的講可以通過(guò)以下幾種方式，一，看能量（勢能，動(dòng)能和總能）是否收斂；二，看系統的壓強，密度等等是否收斂；三看系統的RMSD是否達到你能接受的范圍，等等。
8）運行足夠長(cháng)時(shí)間的模擬以確定我們所感興趣的現象或是性質(zhì)能夠被觀(guān)測到，并且務(wù)必確保此現象出現的可重復性。
9）數據拿到手后，很容易通過(guò)一些可視化軟件得到軌跡動(dòng)畫(huà)，但這并不能拿來(lái)發(fā)文章。真正的工作才剛剛開(kāi)始——分析數據，你所感興趣的現象或性質(zhì)只是表面，隱含在它們之中的機理才是文章中的主題。
作用勢與動(dòng)力學(xué)
作用勢的選擇與動(dòng)力學(xué)計算的關(guān)系極為密切，選擇不同的作用勢，體系的勢能面會(huì )有不同的形狀，動(dòng)力學(xué)計算所
得的分子運動(dòng)和分子內部運動(dòng)的軌跡也會(huì )不同，進(jìn)而影響到抽樣的結果和抽樣結果的勢能計算，在計算宏觀(guān)體積和微觀(guān)成分關(guān)系的時(shí)候主要采用剛球模型的二體勢，計算系統能量，熵等關(guān)系時(shí)早期多采用Lennard-Jones、morse勢等雙體勢模型，對于金屬計算，主要采用morse勢，但是由于通過(guò)實(shí)驗擬合的對勢容易導致柯西關(guān)系，與實(shí)驗不符，因此在后來(lái)的模擬中有人提出采用EAM等多體勢模型，或者采用第一性原理計算結果通過(guò)一定的物理方法來(lái)擬合二體勢函數。但是相對于二體勢模型，多體勢往往缺乏明確的表達式，參量很多，模擬收斂速度很慢，給應用帶來(lái)很大的困難，因此在一般應用中，通過(guò)第一性原理計算結果擬合勢函數的L-J，morse等勢模型的應用仍然非常廣泛。
時(shí)間步長(cháng)
分子動(dòng)力學(xué)計算的基本思想是賦予分子體系初始運動(dòng)狀態(tài)之后利用分子的自然運動(dòng)在相空間中抽取樣本進(jìn)行統計
分子動(dòng)力學(xué)
但是通常情況下，體系各自由度中運動(dòng)周期最短的是各個(gè)化學(xué)鍵的振動(dòng)，而這種運動(dòng)對計算某些宏觀(guān)性質(zhì)并不產(chǎn)生影響，因此就產(chǎn)生了屏蔽分子內部振動(dòng)或其他無(wú)關(guān)運動(dòng)的約束動(dòng)力學(xué)，約束動(dòng)力學(xué)可以有效地增長(cháng)分子動(dòng)力學(xué)模擬的時(shí)間步長(cháng)，提高搜索相空間的能力。
應用
分子動(dòng)力學(xué)可以用于NPT，NVE，NVT等系綜的計算，是一種基于牛頓力學(xué)確定論的熱力學(xué)計算方法，與蒙特卡洛
分子動(dòng)力學(xué)
另外，在實(shí)際應用中，經(jīng)常把分子動(dòng)力學(xué)方法和蒙特卡羅法聯(lián)合使用。
模擬簡(jiǎn)述
分子動(dòng)力學(xué)計算機模擬是研究復雜的凝聚態(tài)系統的有力工具。這一技術(shù)既能得到原子的運動(dòng)軌跡，還能象做實(shí)驗一樣作各種觀(guān)察。對于平衡系統，可以在一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)觀(guān)察時(shí)間(observationtime)內作時(shí)間平均來(lái)計算一個(gè)物理量的統計平均值，對于一個(gè)非平衡系統過(guò)程，只要發(fā)生在一個(gè)分子
分子動(dòng)力學(xué)
分子動(dòng)力學(xué)
分子動(dòng)力學(xué)
另外經(jīng)驗勢近似有一個(gè)本身的局限性，它丟失了局域電子結構之間存在著(zhù)的強相關(guān)作用信息，也就是說(shuō)，不能得到成鍵性質(zhì)(bondingproperties),以及原子動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的電子性質(zhì)。盡管在某些特殊情況下，電子性質(zhì)也能通過(guò)經(jīng)驗勢近似來(lái)得到，例如用經(jīng)驗勢的分子動(dòng)力學(xué)來(lái)計算原子結構時(shí)，選取某幾種原子構型來(lái)作電子結構計算，這樣不僅耗時(shí)，而且原子動(dòng)力學(xué)和電子結構計算成了相互獨立的過(guò)程。1985年,Car和Parrinello在傳統的分子動(dòng)力學(xué)中引入了電子的虛擬動(dòng)力學(xué)，把電子和核的自由度作統一的考慮，首次把密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)有機地結合起來(lái)，提出了從頭計算分子動(dòng)力學(xué)方法(也稱(chēng)CP方法),使基于局域密度泛函理論的第一原理計算直接用于統計力學(xué)模擬成為可能，極大地擴展了計算機模擬實(shí)驗的廣度和深度。
發(fā)展方向
分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究微觀(guān)世界的有效手段"其勢函數和數值算法對模擬的精度有較大影響，為了提高勢函數的精確性，將基于局部密度泛涵理論的從頭計算分子動(dòng)力學(xué)，量子化學(xué)分析參數擬合和蒙特卡洛方法相結合有望成為研究勢函數的最佳方法，隨著(zhù)計算機性能的不斷提高，擺脫了經(jīng)驗勢函數的從頭計算分子動(dòng)力學(xué)的應用范圍將會(huì )不斷擴大，計算的精度也會(huì )不斷提高。所以，從頭計算分子動(dòng)力學(xué)將會(huì )成為分子動(dòng)力學(xué)模擬未來(lái)的主要發(fā)展方向。
數值算法的高速和高效也是人們一直奮斗的目標，最近有人提出的多重時(shí)間寬度法，由于有效地減少了計算時(shí)間而可能成為分子動(dòng)力學(xué)方法中較有前途的數值積分算法，分子動(dòng)力學(xué)方法與其他計算方法，如有限單元法、模擬淬火法、蒙特卡羅法等的結合也將成為未來(lái)的發(fā)展方向之一。
詞條圖冊
參見(jiàn)
計算化學(xué)分子模擬en:moleculardynamicsja:分子動(dòng)力學(xué)法nl:Moleculairedynamica
參考資料
http://wiki.keyin.cn/index.php/%E5%88%86%E5%AD%90%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E5%AD%A6
分子動(dòng)力學(xué)相關(guān)的文章
奧馬爾·哈桑·艾哈邁德·巴希爾（阿拉伯語(yǔ)：????????????????，1944年1月1日－），男，出生于蘇丹北部尼羅河省，蘇丹軍事領(lǐng)導人、政治家，蘇丹第7任總統，畢業(yè)于喀土穆蘇丹軍事學(xué)院。
穆罕默德·巴迪亞，穆斯林兄弟會(huì )最高領(lǐng)導人，最高決策機構指導局主席，也被稱(chēng)作總導師，“穆?tīng)栁鞅澈蟮娜恕保庵赴偷蟻喛梢浴安倏亍蹦聽(tīng)栁鳌Ｄ聽(tīng)栁?013年7月初被軍方解除總統職務(wù)后，埃及多地爆發(fā)大規模游行和沖突，造成重大人員傷亡。埃及檢方曾于2013年7月10日向巴迪亞等人發(fā)出逮捕令。2013年8月20日
胡楊（拉丁學(xué)名：Populus euphratica)，別名：胡桐、英雄樹(shù)、異葉胡楊、異葉楊、水桐、三葉樹(shù)、幼發(fā)拉底楊等，是楊柳科(Salicaceae)楊屬(Populus)一種落葉中型天然喬木植物。主要分布于蒙古、埃及、敘利亞、印度、伊朗、阿富汗、巴基斯坦等地區，在中國主要分布于內蒙古西部、甘肅
漢安帝劉祜（hù）（94年－125年4月30日），東漢第六位皇帝。劉祜是清河孝王劉慶的兒子，與漢殤帝劉隆是堂兄弟，同為漢章帝劉炟（dá）的孫子。延平元年八月辛亥（106年9月21日）漢殤帝早夭，癸丑（106年9月23日）鄧太后與鄧騭擁立13歲的劉祜為帝，第二年改年號永初，后又四易年號，分別為元初、永
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
