vasp的分子动力学模拟

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vasp的分子动力学模拟

vasp的分子动力学模拟

VASP 2010-01-15 02:26:36 阅读57 评论0 字号:大中小

vasp做分子动力学的好处,由于vasp是近些年开发的比较成熟的软件,在做电子scf速度方面有较好的优势。

缺点:可选系综太少。

尽管如此,对于大多数有关分子动力学的任务还是可以胜任的。

主要使用的系综是NVT 和NVE。

下面我将对主要参数进行介绍!

一般做分子动力学的时候都需要较多原子,一般都超过100个。

当原子数多的时候,k点实际就需要较少了。有的时候用一个k点就行,不过这都需要严格的测试。通常超过200个原子的时候,用一个k点,即Gamma点就可以了。

INCAR:

EDIFF 一般来说,用1E-4 或者1E-5都可以,这个参数只是对第一个离子步的自洽影响大一些,对于长时间的分子动力学的模拟,精度小一点也无所谓,但不能太小。

IBRION=0 分子动力学模拟

IALGO=48 一般用48,对于原子数较多,这个优化方式较好。

NSW=1000 多少个时间步长。

POTIM=3 时间步长,单位fs, 通常1到3.

ISIF=2 计算外界的压力.

NBLOCK= 1 多少个时间步长,写一次CONTCAR,CHG和CHGCAR,PCDAT. KBLOCK=50 NBLOCK*KBLOCK 个步长写一次XDATCAR.

ISMEAR=-1 费米迪拉克分布.

SIGMA =0.05 单位:电子伏

NELMIN=8 一般用6到8, 最小的电子scf数.太少的话,收敛的不好.

LREAL=A

APACO=10 径向分布函数距离, 单位是埃.

NPACO=200 径向分布函数插的点数.

LCHARG=F 尽量不写电荷密度,否则CHG文件太大.

TEBEG=300 初始温度.

TEEND=300 终态温度。不设的话,等于TEBEG.

SMASS -3 NVE ensemble;-1 用来做模拟退火。大于0 NVT 系综。

【转】vasp的分子动力学模拟

★★★★★★★★

小木虫(金币+1):奖励一下,谢谢提供资源

uuv2010(金币+1): 您是否可以做一个专题,详细讲讲怎么做?比如第一步需要干什么,第二步需要干什么,结果怎么分析……如果能做一个这样完整的专题就太好了,不知道您是否有兴趣?2011-07-13 18:20:12

uuv2010(金币+1): 多谢提供资源2011-07-16 17:39:55

uuv2010(金币+5, 1ST强帖+1): 多谢您的详细讲解!感谢就此专题与大家分享!2011-08-12 18:25:12 vasp做分子动力学的好处,由于vasp是近些年开发的比较成熟的软件,在做电子scf速度方面有较好的优势。

缺点:可选系综太少。

尽管如此,对于大多数有关分子动力学的任务还是可以胜任的。

主要使用的系综是NVT 和NVE。

下面我将对主要参数进行介绍!

一般做分子动力学的时候都需要较多原子,一般都超过100个。

当原子数多的时候,k点实际就需要较少了。有的时候用一个k点就行,不过这都需要严格的测试。通常超过200个原子的时候,用一个k点,即Gamma点就可以了。

INCAR:

EDIFF 一般来说,用1E-4 或者1E-5都可以,这个参数只是对第一个离子步的自洽影响大一些,对于长时间的分子动力学的模拟,精度小一点也无所谓,但不能太小。

IBRION=0 分子动力学模拟

IALGO=48 一般用48,对于原子数较多,这个优化方式较好。

NSW=1000 多少个时间步长。

POTIM=3 时间步长,单位fs, 通常1到3.

ISIF=2 计算外界的压力.

NBLOCK= 1 多少个时间步长,写一次CONTCAR,CHG和CHGCAR,PCDAT. KBLOCK=50 NBLOCK*KBLOCK 个步长写一次XDATCAR.

ISMEAR=-1 费米迪拉克分布.

SIGMA =0.05 单位:电子伏

NELMIN=8 一般用6到8, 最小的电子scf数.太少的话,收敛的不好.

LREAL=A

APACO=10 径向分布函数距离, 单位是埃.

NPACO=200 径向分布函数插的点数.

LCHARG=F 尽量不写电荷密度,否则CHG文件太大.

TEBEG=300 初始温度.

TEEND=300 终态温度。不设的话,等于TEBEG.

SMASS -3 NVE ensemble;-1 用来做模拟退火。大于0 NVT 系综。

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1)收敛判据的选择

结构弛豫的判据一般有两种选择:能量和力。这两者是相关的,理想情况下,能量收敛到基态,力也应该是收敛到平衡态的。但是数值计算过程上的差异导致以二者为判据的收敛速度差异很大,力收敛速度绝大部分情况下都慢于能量收敛速度。这是因为力的计算是在能量的基础上进行的,能量对坐标的一阶导数得到力。计算量的增大和误差的传递导致力收敛慢。

到底是以能量为收敛判据,还是以力为收敛判据呢?关心能量的人,觉得以能量为判据就够了;关心力相关量的人,没有选择,只能用力作为收敛标准。对于超

胞体系的结构优化,文献大部分采用Gamma点做单点优化。这个时候即使采用力为判据(EDIFFG=-0.02),在做静态自洽计算能量的时候,会发现,原本已经收敛得好好的力在不少敏感位置还是超过了结构优化时设置的标准。这个时候,是不是该怀疑对超胞仅做Gamma点结构优化的合理性呢?是不是要提高K点密度再做结构优化呢

在我看来,这取决于所研究的问题的复杂程度。我们的计算从原胞开始,到超胞,到掺杂结构,到吸附结构,到反应和解离。每一步都在增加复杂程度。结构优化终点与初始结构是有关的,如果遇到对初始结构敏感的优化,那就头疼了。而且,还要注意到,催化反应不仅与原子本身及其化学环境有关,还会与几何构型有关。气固催化反应过程是电子的传递过程,也是分子拆分与重新组合的过程。如果优化终点的构型不同,可能会导致化学反应的途径上的差异。仅从这一点来看,第一性原理计算的复杂性,结果上的合理性判断都不是手册上写的那么简单。

对于涉及构型敏感性的结构优化过程,我觉得,以力作为收敛判据更合适。而且需要在Gamma点优化的基础上再提高K点密度继续优化,直到静态自洽计算时力也是达到收敛标准的。

(2)结构优化参数设置

结构优化,或者叫弛豫,是后续计算的基础。其收敛性受两个主要因素影响:初始结构的合理性和弛豫参数的设置。

初始结构

初始结构包括原子堆积方式,和自旋、磁性、电荷、偶极等具有明确物理意义的模型相关参数。比如掺杂,表面吸附,空位等结构,初始原子的距离,角度等的设置需要有一定的经验积累。DFT计算短程强相互作用(相对于范德华力),如果初始距离设置过远(如超过4埃),则明显导致收敛很慢甚至得到不合理的结果。

比较好的设置方法可以参照键长。比如CO在O顶位的吸附,可以参照CO2中C-O 键长来设置(如增长20%)。也可以参照文献。记住一些常见键长,典型晶体中原子间距离等参数,有助于提高初始结构设置的合理性。实在不行,可以先在小体系上测试,然后再放到大体系中算。

弛豫参数

弛豫参数对收敛速度影响很大,这一点在计算工作没有全部铺开时可能不会觉察到有什么不妥,反正就给NSW设置个“无穷大”的数,最后总会有结果的。但是,时间是宝贵的,恰当的设置3小时就收敛的结果,不恰当的设置可能要一个白天加一个黑夜。如果你赶文章或者赶着毕业,你就知道这意味这什么。

结构优化分电子迭代和离子弛豫两个嵌套的过程。电子迭代自洽的速度,有四个响很大的因素:初始结构的合理性,k点密度,是否考虑自旋和高斯展宽(SIGMA);离子弛豫的收敛速度,有三个很大的影响因素:弛豫方法(IBRION),步长(POTIM)和收敛判据(EDIFFG).

一般来说,针对理论催化的计算,初始结构都是不太合理的。因此一开始采用很粗糙的优化(EDIFF=0.001,EDIFFG=-0.2),很低的K点密度(Gamma),不考虑自旋就可以了,这样NSW<60的设置就比较好。其它参数可以默认。

经过第一轮优化,就可以进入下一步细致的优化了。就我的经验,

EDIFF=1E-4,EDIFFG=-0.05,不考虑自旋,IBRION=2,其它默认,NSW=100;

跑完后可以设置IBRION = 1,减小OPTIM(默认为0.5,可以设置0.2)继续优化。

优化的时候让它自己闷头跑是不对的,经常看看中间过程,根据情况调节优化参数是可以很好的提高优化速度。这个时候,提交两个以上的任务排队是好的方式,一个在调整的时候,下一个可以接着运行,不会因为停下当前任务导致机器空闲。

无论结构优化还是静态自洽,电子步的收敛也常常让新手头痛。如果电子步不能在40步内收敛,要么是参数设置的问题,要么是初始模型太糟糕(糟糕的不是一点点)。

静态自洽过程电子步不收敛一般是参数设置有问题。这个时候,改变迭代算法(ALGO),提高高斯展宽(SIGMA增加),设置自洽延迟(NELMDL)都是不错的方法。对于大体系比较难收敛的话,可以先调节AMIN,BMIX跑十多步,得到电荷密度和波函数,再重新计算。实在没办法了,可以先放任它跑40步,没有收敛的迹象的话,停下来,得到电荷密度和波函数后重新计算。一般都能在40步内收敛。

对于离子弛豫过程,不调节关系也不大。开始两个离子步可能要跑满60步(默认的),后面就会越来越快了。

总的说来,一般入门者,多看手册,多想多理解,多上机实践总结,比较容易提高到一个熟练操作工的水平。

如果要想做到“精确打击”,做到能在问题始发的时候就立刻采取有效措施来解决,就需要回归基础理论和计算方法上来了。

(3)优化结果对初始结构和“优化路径”的依赖

原子吸附问题不大,但是小分子吸附,存在初始构型上的差异。slab上水平放置,还是垂直放置,可能导致收敛结果上的差异。根据H-K理论,理想情况下,优化得到的应该是全局最小,但在数值计算的时候可能经常碰到不是全局最小的情况。实际操作中发现,多个不同初始结构优化收敛后在能量和结构上存在一定差异。

为了加快收敛速度,特别是对于表面-分子吸附结构,初始放松约束,比如EDIFF=1E-3,EDIFFG=-0.3,NSW=30可能是很好的设置。但是下面的情况应当慎重:

EDIFF=1E-3;

EDIFFG=-0.1;!或者更小

NSW=500;!或者更大

电子步收敛约束较小,而离子步约束偏大,离子步数又很多,这种情况下,可能导致的结果是结构弛豫到严重未知的区间。

再在这个基础上提高约束来优化,可能就是徒劳的了——结果不可逆转的偏向不正常的区间。

好的做法,是对初始结构做比较松弛的约束,弛豫离子步NSW应该限制在一个较小的数值内。EDIFF=1E-3的话,EDIFFG也最好是偏大一些,如-0.3而不是-0.1. 这样可以在较少的步数内达到初步收敛。

对于远离基态的初始结构,一开始在非常松弛的约束下跑若干离子步,时间上带来的好处是很大的。对于100个原子的体系用vasp做Gamma点优化,如果一开始就是正常优化(EDIFF=1E-4,EDIFFG=-0.02)设置,开始十个离子步可能都要花上几个小时。如果这个时候才发现输入文件有错误,那下午的时间就白费了,顺便带上晚上机器空转。

所以,我习惯的做法,是在初始几步优化后,会用xcrysden 检查一下XDATCAR 中的数据,用xdat2xyz.pl生成movie.xyz,然后看看弛豫过程是不是按照设想的那样。后续过程跑完一个收敛过程,就再检查一下movie.xyz。如此这般,才放心的展开后续计算。

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结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合。全称为统计系综。系综是用统计方法描述热力学系统的统计规律性时引入的一个基本概念;系综是统计理论的一种表述方式;系综并不是实际的物体,构成系综的系统才是实际物体。

研究气体热运动性质和规律的早期统计理论是气体动理论。统计物理学的研究对象和研究方法与气体动理论有许多共同之处,为了避免气体动理论研究中的困难,它不是以分子而是以由大量分子组成的整个热力学系统为统计的个体。系综理论使统计物理成为普遍的微观统计理论。

系统的一种可能的运动状态,可用相宇中的一个相点表示,随着时间的推移,系统的运动状态改变了,相应的相点在相宇中运动,描绘出一条轨迹,由大量系统构成的系综则可表为相宇中大量相点的集合,随着时间的推移,各个相点分别沿各自的轨迹运动,类似于流体的流动。系综并不是实际的物体,构成系综的系统才是实际物体。约束条件是由一组外加宏观参量来表示。在平衡统计力学范畴下,可以用来处理稳定系综。

一、常用系综分类

根据宏观约束条件,系综被分为以下几种:

1. 正则系综(canonical ensemble),全称应为“宏观正则系综”,简写为NVT,即表示具有确定的粒子数(N)、体积(V)、温度(T)。正则系综是蒙特卡罗方法模拟处理的典型代表。假定N个粒子处在体积为V的盒子内,将其埋入温度恒为T的热浴中。此时,总能量(E)和系统压强(P)可能在某一平均值附近起伏变化。平衡体系代表封闭系统,与大热源热接触平衡的恒温系统。正则系综的特征函数是亥姆霍兹自由能F(N,V,T)。

2. 微正则系综(micro-canonical ensemble),简写为NVE,即表示具有确定的粒子数(N)、体积(V)、总能量(E)。微正则系综广泛被应用在分子动力学模拟中。假定N个粒子处在体积为V的盒子内,并固定总能量(E)。此时,系综的温度(T)和系统压强(P)可能在某一平均值附近起伏变化。平衡体系为孤立系统,与外界即无能量交换,也无粒子交换。微正则系综的特征函数是熵S(N,V,E)。

3. 等温等压(constant-pressure,constant-temperature),简写为NPT,即表示具有确定的粒子数(N)、压强(P)、温度(T)。一般是在蒙特卡罗模拟中实现。其总能量(E)和系统体积(V)可能存在起伏。体系是可移动系统壁情况下的恒温热浴。特征函数是吉布斯自由能G(N,P,T)。

4. 等压等焓(contant-pressure,constant- enthalpy),简写为NPH,即表示具有确定的粒子数(N)、压强(P)、焓(H)。由于由于H =E+PV,故在该系综下进行模拟时要保持压力与焓值为固定,其调节技术的实现也有一定的难度,这种系综在实际的分子动力学模拟中已经很少遇到了。

5. 巨正则系综(grand canonical ensemble),简写为VTμ,即表示具有确定的粒体积(V)、温度(T)和化学势(μ)。巨正则系综通常是蒙特卡罗模拟的对象和手段。此时、系统能量(E)、压强(P)和粒子数(N)会在某一平均值附近有一个起伏。体系是一个开放系统,与大热源大粒子源热接触平衡而具有恒定的T,。特征函数是马休(Massieu)函数J(μ,V,T)。

二、系综调节

系综调节主要是指在进行分子动力学计算过程中,对温度和压力参数的调节,分为调温技术和调压技术。

1. 调温技术

在NVT 系综或NPT系综中,即使在NVE系综模拟的平衡态中,也经常调整温度到期望值。如果希望知道系统的平衡态性质怎样依赖于温度,那么就必须在不同的温度下进行模拟。

目前实现对温度的调节有4种方式:速度标度、Berendsen热浴、Gaussian热浴、Nose—Hoover热浴。

2. 调压技术

在等压模拟中,可以通过改变模拟原胞的三个方向或一个方向的尺寸来实现体积的变化.类似于温度控制的方法,也有许多方法用于压力控制,总的来说有以下3种技术:Berendsen方法、Anderson方法、Parrinello-Rahman方法。

三、系综选择

原则上巨正则系综应用最广,但却不一定是最方便的。因为可以看到三种系综的演化过程既是约束解除的过程,却是以增加变量为代价的,这也就增加了数学上的复杂性。因此一般情况下如果不需求解。,则不必使用巨正则系综。

系综选择的基本原则为:

1. 微正则系综能够简单的求得近独立,全同,定域粒子系统,并且每个粒子只能有两个不同的可能状态,例如简单的铁磁,顺磁模型

2. 微正则系综难求的系统,可用正则系综求解

3. 当微正则和正则系综均难求时,可用巨正则系综求解

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系综(ensemble):在一定的宏观条件下,大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合。全称为统计系综。系综是用统计方法描述热力学系统的统计规律性时引入的一个基本概念;系综是统计理论的一种表述方式。

目录

系综的性质

研究对象

常用的三个系综

原理编辑本段系综的性质

系综是假想的概念,并不是真实的客观实体。真正的实体是组成系综的一个个系统,这些系统具有完全相同的力学性质。每个系统的微观状态可能相同,也可能不同,但是处于平衡状态时,系综的平均值应该是确定的。编辑本段研究对象

研究气体热运动性质和规律的早期统计理论是气体动理论。统计物理学的研究对象和研究方法与气体动理论有许多共同之处,为了避免气体动理论研究中的困难,它不是以分子而是以由大量分子组成的整个热力学系统为统计的个体。系综理论使统计物理成为普遍的微观统计理论。编辑本段常用的三个系综

J.W. 吉布斯把整个系统作为统计的个体,提出研究大量系统构成的系综在相宇中的分布,克服了气体动理论的困难,建立了统计物理。在平衡态统计理论中,对于能量和粒子数固定的孤立系统,采用微正则系综(NVE);对于可以和大热源交换能量但粒子数固定的系统,采用正则系综(NVT);对于可以和大热源交换能量和粒子的系统,采用巨正则系综(mVT)。这是三种常用的系综,各系综在相宇中的分布密度函数均已得出。量子统计与经典统计的研究对象和研究方法相同,在量子统计中系综概念仍然适用。区别在于量子统计认为微观粒子的运动遵循量子力学规律而不是经典力学规律,微观运动状态具有不连续性,需用量子态而不是相宇来描述。编辑本段原理

系统的一种可能的运动状态,可用相宇中的一个相点表示,随着时间的推移,系统的运动状态改变了,相应的相点在相宇中运动,描绘出一条轨迹,由大量系统构成的系综则可表为相宇中大量相点的集合,随着时间的推移,各个相点分别沿各自的轨迹运动,类似于流体的流动。若系统具有s个自由度,则相宇是以s个广义坐标p(详写为p、p2……ps)和s个广义动量q(详写为q1、q2……qs)为直角坐标构成的2s维空间。在相宇内任一点(p,q)附近单位相体积元内的相点数目D(p,q,t)称为密度函数。D(p,q,t)在整个相宇的积分等于全部相点数,即等于系综所包含的全部系统数N,与时间t无关。定义ρ(p,q,t)=D(p,q,t)/N,称为系综的概率密度函数。ρ(p,q,t)dp dq表示在t时刻出现在(p,q)点附近相体积元dp dq内的相点数在全部相点数中所占的比值,即表示任一系统在t

时刻其运动状态处于(p,q)附近的相体积元dp dq内的概率。显然,概率密度函数ρ(p,q,t)满足归一化条件∫ρ(p,q,t)dpdq=1。统计物理学的认为系统的任意宏观量I(t)是相应微观量L(p,q)在一定宏观条件下对系统一切可

能的微观运动状态的统计平均值,即I(t)=∫L(p,q)ρ(p,q,t)dp dq。由此可见,经典统计物理的基本课题是确定各种条件下系综的概率密度函数ρ(p,q,t),ρ确定后,即可对相应的热力学系统的宏观性质作出统计描述。这就是统计系综的方法。ρ(p,q,t)的具体形式与系统所处的宏观状态有关。如果系统处于平衡态,则ρ=ρ(p,q)不显含时间t,在平衡态的系综理论中,由能量、体积和粒子数都固定的系统构成的统计系综称为微正则系综;由与温度恒定的大热源接触,具有确定粒子数和体积的系统构成的统计系综称为正则系综;由与温度恒定的大热源和化学势恒定的大粒子源接触,具有确定体积的系统构成的统计系综称为巨正则系综;由与温度恒定的大热源接触并通过无摩擦的活塞与恒压强源接触,具有确定粒子数的系统构成的统计系综称为等温等压系综。上述各种统计系综都有各自的概率密度函数。在微正则系综中,系统处于所有可能的微观状态上的概率都相等,即概率密度是不随时间改变的常数,这就是等概率原理。等概率原理是平衡态统计物理的基本假设,它的正确性由它的推论与实际相符而得到肯定。由微正则系统可以推导出其它系综的概率分布函数的形式。

微正则系综是由许多具有相同能量,粒子数,体积的体系的集合。它是统计力学系综的一种。其配分函数Ω是在能量E_0上的能态密度。微正则系综是个简并度下的正则系综,正则系综可以被分开进入子系综,每个子系综被对应到可能的能量值且自身为另一些微正则系综。

[ Last edited by Gina88 on 2011-8-3 at 15:46 ]

uuv2010(金币+2): 多谢分享2011-08-12 18:22:13

这是一个例子,也许对你有提示作用

#------INCAR------

IBRION = 0 # 分子动力学

ISTART = 0 # from scratch

IALGO = 48 # 如果发现自恰不收敛的情况可换成38。

NSW = 5000 # 时间步长,一般在500 步左右就能达到平衡,但要想充分的话,最好3000 以上。

NBLOCK = 1; KBLOCK = 50 # 每个NBLOCK 步数后,对关联函数和DOS 会被计算,然后离子位置信息写

到相应的XDATCAR。在KBLOCK*NBLOCK 步数后,对关联函数和DOS 会被写到PCDAT 和DOSCAR。

ISYM = 0 # 取消对称性。

SMASS = -3 # -3 NVE ensemble, -1 模拟退火. >0 NVT ensemble

POTIM = 2.0 # 时间步长。一般1 到3. 这个最好跑一下NVE 系综,看一下总能是否守恒。

ISMEAR = -1; SIGMA = 0.1 # -1 是电子费米达拉克占据,主要用来处理电子含温。

LREAL = A

ISIF = 2 # 就算压力。

NPACO = 200,APACO = 10 # 计算对关联分布的。具体可以看manual,很简单。NELMIN = 6 # 电子最少的自恰步数,一般是4 到8。

NBANDS = 700 # 能带数,这个最好自己设,否则容易出问题。

LCHARG = F # 尽量不写CHG,太占硬盘资源。

TEBEG = 1000;TEEND=1000 # 初始温度和末态温度,默认是两者相当,所以一般设TEBEG 就可以。

##------END---------

PREC 一般也不用设,默认即可。ENCUT 会等于ENMAX。我能想起来的参数就这些,有问题可以直接问

我。因为分子动力学是一个统计概念,当然原子越多越好的。所以我认为最少也得算100 个原子。一般100 个

原子的话,k 点用一个就可以。注意的是在分子动力学里,PSTRESS 是没有的用的。因为没有NPH 或NPT

系综。再有分子动力学常用的几个概念就是,对关联函数,这个实验可测。写在PCDAT 里。速度自关联函数,

这个可以自己看一下公式,很简单,可以自己写程序做。

做分子动力学最好用vasp5,因为很多参数都不用测了,4.6 好像还得测,

否则慢。还有实际vasp 在输出温度是需要修正的,这个可以看看manual,很简单,如果原子数多的话可以不

修正。还有压力也需要修正,但通常影响不大,可以直接用vasp 的。

youzhizhe(金币+1): 谢谢分享。如果是转载,请注明转载地址。2011-08-13 09:53:45 cenwanglai: 这个是goldfish专家的帖子2011-11-17 22:13:23

很长一段时间以来,一直有人在问BOMD与CPMD究竟有什么不同?这里我就简单说一些二者的区别。

实际上,我想大部分人理解和接触的第一原理分子动力学方法以CPMD居多。CPMD,就是Car和Parrinello两个人作出的基于密度泛函的分子动力学方法,其

特点是在引入电子虚拟质量,将电子运动耦合到了运动方程中,每一步分子动力

学计算后,对电子结构的计算就不再需要自洽场迭代这一过程,因此可以大大节

省计算资源,在计算机还不是那么好的80,90年代是弥足珍贵的。CPMD的建立

开创了第一原理分子动力学方法的新时代,使其真正开始了实用化进程。

而BOMD,顾名思义,就是Born-Oppenheimer分子动力学。Born-Oppenheimer

近似,也就是绝热近似,指的是将电子和离子的求解分离开来,只处理离子的动

力学部分,而认为电子可以快速跟上电子的运动。其特点是每一步分子动力学计

算之后都需要对电子结构进行自洽场迭代,使电子达到基态。正式由于这个自洽

场迭代过程需要的计算量巨大,致使其一直没有达到广泛运用,直到90年代中后

期,计算机技术的发展,才使BOMD开始逐步被人们重视。

CPMD和BOMD各有优劣。CPMD虽然计算速度更快,不需要进行自洽场迭代计

算,计算量小,但是由于计算中并没有使体系真正达到基态,而只是尽量靠近基

态,因此其准确性对电子的虚拟质量这个参数的选取依赖程度很大,一旦计算参

数不对,得到的体系很可能远远偏离真实的势能面,得不到正确的动力学轨迹。

同时,为了保证其尽量靠近基态,分子动力学时间步长一般选得较小。而BOMD

虽然计算量大,但是由于每一步都保证系统达到基态,因此其分子动力学步长可

以取得较大,一般1fs到5fs都有可能。综合来说,如果能结合二者的优势,第一

原理分子动力学计算效率将大大提高,这也成为近年来其发展的重要方向。

偶曾经用CASTEP的MD算了一个晶格的结构相变问题,目前打算把手上那个表面的东西搞完后就做点QMD的东西。现在偶每天除了看点文献外就是马丁的《Electronic Structure》和《Ab Initio Molecular Dynamics: Basic Theory and Advanced Methods》两本书对比看,感触颇多啊!

SMASS =1,2,3 虽说都是NVT 系统,但是,还是有区别的,SMASS 是控制温度震荡的频率的。

分子动力学模拟方法概述(精)

《装备制造技术》 2007年第 10期 收稿日期 :2007-08-21 作者简介 :申海兰 , 24岁 , 女 , 河北人 , 在读研究生 , 研究方向为微机电系统。 分子动力学模拟方法概述 申海兰 , 赵靖松 (西安电子科技大学机电工程学院 , 陕西西安 710071 摘要 :介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势 , 如Lennard-Jones 势 ; 论述了几种常用的有限差分算法 , 如 Verlet 算法 ; 说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。关键词 :分子动力学模拟 ; 原子间相互作用势 ; 有限差分算法 ; 系综中图分类号 :O3 文献标识码 :A 文章编号 :1672-545X(200710-0029-02 从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法 (molec- ular dynamics simulation , M DS , 实践证明是一种描述纳米科技 研究对象的有效方法 , 得到越来越广泛的重视。所谓分子动力学模拟 , 是指对于原子核和电子所构成的多体系统 , 用计算机模拟原子核的运动过程 , 从而计算系统的结构和性质 , 其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动 [1]。它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段 , 称之为“计算机实验” 手段 [2], 在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。

根据模拟对象的不同 , 将它分为平衡态分子动力学模拟 (EM DS (和非平衡态分子动力学模拟 (NEM DS 。其中 , EM DS 是分子动力学模拟的基础 ; NEM DS 适用于非线性响应系统的模拟 [3]。下面主要介绍 EM DS 。 1分子动力学方法的基本原理 计算中根据以下基本假设 [4]: (1 所有粒子的运动都遵循经典牛顿力学规律。 (2 粒子之间的相互作用满足叠加原理。 显然这两条忽略了量子效应和多体作用 , 与真实物理系统存在一定差别 , 仍然属于近似计算。 假设 N 为模拟系统的原子数 , 第 i 个原子的质量为 m i , 位置坐标向量为 r i , 速度为 v i =r ? i , 加速度为 a i =r ?? i , 受到的作用力为 F i , 原子 i 与原子 j 之间距离为 r ij =r i -r j , 原子 j 对原子 i 的作用力为 f ij , 原子 i 和原子 j 相互作用势能为 ! (r ij , 系统总的势能为 U (r 1, r 2, K r N = N i =1! j ≠ i ! " (r ij , 所有的物理量都是随时 间变化的 , 即 A=A (t , 控制方程如下 : m i r ?? i =F i =j ≠ i

分子动力学的模拟过程

分子动力学的模拟过程 分子动力学模拟作为一种应用广泛的模拟计算方法有其自身特定的模拟步骤,程序流程也相对固定。本节主要就分子动力学的模拟步骤和计算程序流程做一些简单介绍。 1. 分子动力学模拟步驟 分子动力学模拟是一种在微观尺度上进行的数值模拟方法。这种方法既可以得到一些使用传统方法,热力学分析法等无法获得的微观信息,又能够将实际实验研究中遇到的不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。 分子动力学模拟的步骤为: (1)选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。 (2)设定模拟区域的边界条件,选取粒子间作用势模型。 (3)设定系统所有粒子的初始位置和初始速度。 (4)计算粒子间的相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度。 (5)待体系达到平衡,统计获得体系的宏观特性。 分子动力学模拟的主要对象就是将实际物理模型抽象后的物理系统模型。因此,物理建模也是分子动力学模拟的一个重要的环节。而对于分子动力学模拟,主要还是势函数的选取,势函数是分子动力学模拟计算的核心。这是因为分子动力学模拟主要是计算分子间作用力,计算粒子的势能、位置及速度都离不开势函数的作用。系统中粒子初始位置的设定最好与实际模拟模型相符,这样可以使系统尽快达到平衡。另外,粒子的初始速度也最好与实际系统中分子的速度相当,这样可以减少计算机的模拟时间。 要想求解粒子的运动状态就必须把运动方程离散化,离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。这些算法有其各自的优势,选取时可按照计算要求选择最合适的算法。 统计系统各物理量时,便又涉及到系统是选取了什么系综。只有知道了模拟系统采用的系综才能釆用相对应的统计方法更加准确,有效地进行统计计算,减少信息损失。 2. 分子动力学模拟程序流程 具体到分子动力学模拟程序的具体流程,主要包括: (1)设定和模拟相关的参数。 (2)模拟体系初始化。 (3)计算粒子间的作用力。 (4)求解运动方程。 (5)循环计算,待稳定后输出结果。 分子动力学模拟程序流程图如2.3所示。

金属铝分子动力学模拟

物理计算与设计报告书 院(系)名称: 学生姓名: 专业名称: 班级: 时间: 金属铝分子动力学模拟

摘要:分子动力学模拟,是指对于原子核和电子所构成的多体系统,用计算机模拟 原子核的运动过程,并从而计算系统的结构和性质,其中每一原子核被视为在全部其它 原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动。我们用c语言编写程序,VMD 动画演示得到原子在拉伸过程中的变化。在控制温度不变的情况下,得到了金属铝分子 的动力学模拟过程。通过不断拉伸,趋衡铝分子,计算其势能,力,速度,观察每次拉 伸过程中以及拉伸后铝原子的排列,得到金属铝的运动细节,从而更加利于我们了解铝 的性质。 结论:原子两端的拉力与原子势能的变化曲线基本一致。原子间断层以滑层方式断 裂。 关键词:铝分子,分子动力学,c语言,势能 1 引言 人们很早就知道材料的力学性能随尺度发生变化尺度减小, 材料中缺陷存在的几率降低, 材料的强度提高同时尺度的变化可能导致材料内在变形竞争机制的改变, 例如多晶材料晶粒粒径在微米级以上时, 强度主要受位错强化机制控制, 而粒径进入纳米级后, 材料的变形主要来源于晶界滑移等机制原子尺度下, 微观效应占主导地位, 材料的理化、力学性能表现出与宏观不同、甚至相反的特性。Brenner发现金属单晶晶须拉伸强度与晶须直径呈反比,Fleck在微米级细铜丝的扭转试验中观察到尺寸效应纳米电机系统(NEMS)的出现同迫切要求了解纳米尺度下材料的力学行为, 当前从实验上较难获得详细的信息, 而分子动力学模拟可以提供相关细节. 分子动力学通过直接模拟原子的运动过程, 使我们能够详细了解模拟对象的演化发展历史分子动力学模拟的一个关键在于原子势函数的选取原子势早期一般采用简单的对势, 但对势无法正确描述弹性常数, 其结果不理想世纪年代提出的镶嵌原子法、有效介质理论更客观地反映了原子间多体作用的本质, 可得到较合理的结果.认为体系总能量为

分子动力学方法模拟基本步骤

分子动力学方法模拟基本步骤 1.第一步 即模型的设定,也就是势函数的选取。势函数的研究和物理系统上对物质的描述研究息息相关。最早是硬球势,即小于临界值时无穷大,大于等于临界值时为零。常用的是LJ势函数,还有EAM势函数,不同的物质状态描述用不同的势函数。 模型势函数一旦确定,就可以根据物理学规律求得模拟中的守恒量。 2 第二步 给定初始条件。运动方程的求解需要知道粒子的初始位置和速度,不同的算法要求不同的初始条件。如:verlet算法需要两组坐标来启动计算,一组零时刻的坐标,一组是前进一个时间步的坐标或者一组零时刻的速度值。 一般意思上讲系统的初始条件不可能知道,实际上也不需要精确选择代求系统的初始条件,因为模拟实践足够长时,系统就会忘掉初始条件。当然,合理的初始条件可以加快系统趋于平衡的时间和步伐,获得好的精度。 常用的初始条件可以选择为:令初始位置在差分划分网格的格子上,初始速度则从玻尔兹曼分布随机抽样得到;令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上,初始速度为零;令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上,初始速度也是从玻尔兹曼分布随机抽样得到。 第三步 趋于平衡计算。在边界条件和初始条件给定后就可以解运动方程,进行分子动力学模拟。但这样计算出的系统是不会具有所要求的系统的能量,并且这个状态本身也还不是一个平衡态。 为使得系统平衡,模拟中设计一个趋衡过程,即在这个过程中,我们增加或者从系统中移出能量,直到持续给出确定的能量值。我们称这时的系统已经达到平衡。这段达到平衡的时间成为驰豫时间。 分子动力学中,时间步长的大小选择十分重要,决定了模拟所需要的时间。为了减小误差,步长要小,但小了系统模拟的驰豫时间就长了。因此根据经验选择适当的步长。如,对一个具有几百个氩气Ar分子的体系,lj势函数,发现取h为0.01量级,可以得到很好的相图。这里选择的h是没有量纲的,实际上这样选择的h对应的时间在10-14s的量级呢。如果模拟1000步,系统达到平衡,驰豫时间只有10-11s。 第四步 宏观物理量的计算。实际计算宏观的物理量往往是在模拟的最后揭短进行的。它是沿相空间轨迹求平均来计算得到的(时间平均代替系综平均)

分子动力学模拟

分子动力学模拟 分子动力学就是一门结合物理,数学与化学的综合技术。分子动力学就是一套分子模拟方法,该方法主要就是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量与其她宏观性质。 这门技术的发展进程就是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法) 1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)、 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步就是确定起始构型,一个能量较低的起始构型就是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要就是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度就是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度就是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之与为零,即保证体系没有平动位移。 由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。 进入生产相之后体系中的分子与分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学与预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能与动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点,计算的样本正就是在这个过程中抽取的。 用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分。 作用势的选择与动力学计算的关系极为密切,选择不同的作用势,体系的势能面会有不同的形状,动力学计算所得的分子运动与分子内部运动的轨迹也会不同,进而影响到抽样的结果与抽样结果的势能计算,在计算宏观体积与微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势,计算系统能量,熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型,对于金属计算,主要采用morse势,但就是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系,与实验不符,因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型,或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但就是对于二体势模型,多体势往往缺乏明确的表达式,参量很多,模拟收敛速度很慢,给应用带来很大困难,因此在一般应用中,通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J,morse等势模型的应用仍非常广泛。 分子动力学计算的基本思想就是赋予分子体系初始运动状态之后,利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算,时间步长就就是抽样的间隔,因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞,体系数据溢出;太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力,因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。但就是通常情况下,体系各自由度中运动周期最短的就是各个化学键的振动,而这种运动对计算某些宏观性质并不产生影响,因此就产生了屏蔽分子内部振动或其她无关运动的约束动力学,约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟时间步长,提高搜索相空间的能

MS分子动力学模拟具体实施步骤

第3章 铁基块体非晶合金‐纳米晶转变的动力学模拟过程 3.1 Discover模块 3.1.1 原子力场的分配 在使用Discover模块建立基于力场的计算中,涉及几个步骤。主要有:选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non‐bond cutoffs。 在这些步骤中,指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。然而,在某些情形下需要手动指定原子类型。原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。在为特定的系统确定能量和力时,定型原子使工作者能使用正确的力场参数。通常,原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行,所以不需要手动原子定型。然而,在特殊情形下,人们不得不手动的定型原子,以确保它们被正确地设置。 图 3-1 1)计算并显示原子类型:点击Edit→Atom Selection,如图3‐1所示 图3-2 弹出对话框,如图3‐2所示 从右边的…的元素周期表中选择Fe,再点Select,此时所建晶胞中所有Fe

原子都将被选中,原子被红色线圈住即表示原子被选中。再编辑集合,点击Edit →Edit Sets,如图3‐3、3‐4所示。 图3-3 图3-4 弹出对话框见图3‐4,点击New...,给原子集合设定一个名字。这里设置为Fe,则3D视图中会显示“Fe”字样,再分配力场:在工具栏上点击Discover按 钮,从下拉列表中选择Setup,显示Discover Setup对话框,选择Typing选项卡,见图3‐5。 图3-5 在Forcefield types里选择相应原子力场,再点Assign(分配)按钮进行原子力场分配。注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态(Formalcharge)一致。

分子动力学模拟讲解

分子动力学模拟 一,软件: NAMD:https://www.360docs.net/doc/e110609769.html,/Research/namd/免费注册之后进行免费下载, 只需要下载解压不需要安装 VMD:https://www.360docs.net/doc/e110609769.html,/Research/vmd/免费,分子可视化和辅助分析软 件 二,分子动力学模拟需要的数据文件包括: (1)蛋白质的PDB文件,此文件只记录原子空间位置,能够从RCSB管理的PDB数据库(https://www.360docs.net/doc/e110609769.html,/pdb/)下载。 (2)PSF文件,此文件负责储存蛋白质的结构信息,记录蛋白质原子之间的成键情况。用户需要根据自己要求生成该文件。 (3)力场参数文件。此文件是分子动力学模拟的核心。CHAYMM,X-PLOR,AMBER和GROMACS 是经常用到的四种力场。NAMD能够利用上述每一种力场执行分子动力学模拟。 (4)配置文件(configuration file)。此文件作用是告知NAMD分子动力学模拟的各种参数,例如PDB和PSF两个文件保存的位置,模拟结果储存在哪里,体系的温度是多少等等。此文件也是要用户根据需求自己生成。同一配置的电脑,蛋白质分子大小不同,模拟运行的时间也不同,通常大蛋白质需要较长的时间。 三.以蛋白质1L63为例给出操作说明。 在PDB数据库下载蛋白质1L63. 建立文件夹1L63,其中包括以下几个文件,其中.conf文件需要修改,下面第4步会讲到。 以下生成PSF文件: 1.单击VMD,file-New Molecule-打开Molecule File Browser对话框,单击Browse按钮,在文件浏览器中找到文件夹1L63,在此文件夹中选择1L63.pdb,单击Load按钮载入1L63.pdb 2.除去pdb文件中带有的水分子 单击Extension-TK Console,弹出VMD Tk Console窗口。 首先用cd命令改变当前目录到1L63文件夹下,然后输入下列命令: set L63[atomselect top protein] $L63writepdb L63p.pdb 这样,1L63文件夹下就生成了文件L63P.pdb。这一PDB文件仅包含蛋白质,不包含水分子。 3.生成psf文件。 注意,这里仅讲全自动的psf文件生成器,描述如下: 选择Extensions-Modeling-Automatic PSF Builder菜单项,点击左上角的Options,选择Add solvation box,和Add neutralizing ions,点击右下角的I’m feeling lucky按钮,

分子动力学模拟

分子动力学模拟 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

分子动力学模拟 分子动力学是一门结合物理,数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。 这门技术的发展进程是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法)1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型,一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之和为零,即保证体系没有平动位移。由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。

分子动力学模拟教学教材

分子动力学模拟

分子动力学模拟 分子动力学是一门结合物理,数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。 这门技术的发展进程是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法)1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型,一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之和为零,即保证体系没有平动位移。由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。

进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能和动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点,计算的样本正是在这个过程中抽取的。 用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分。 作用势的选择与动力学计算的关系极为密切,选择不同的作用势,体系的势能面会有不同的形状,动力学计算所得的分子运动和分子内部运动的轨迹也会不同,进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算,在计算宏观体积和微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势,计算系统能量,熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型,对于金属计算,主要采用morse 势,但是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系,与实验不符,因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型,或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但是对于二体势模型,多体势往往缺乏明确的表达式,参量很多,模拟收敛速度很慢,给应用带来很大困难,因此在一般应用中,通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J,morse等势模型的应用仍非常广泛。 分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后,利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算,时间步长就是抽样的间隔,因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞,体系数据溢出;太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力,因此

分子动力学模拟基础知识

分子动力学模拟基础知识 ? Molecular Dynamics Simulation o MD: Theoretical Background Newtonian Mechanics and Numerical Integration The Liouville Operator Formalism to Generating MD Integration Schemes o Case Study 1: An MD Code for the Lennard-Jones Fluid Introduction The Code, mdlj.c o Case Study 2: Static Properties of the Lennard-Jones Fluid (Case Study 4 in F&S) o Case Study 3: Dynamical Properties: The Self-Diffusion Coefficient ? Ensembles o Molecular Dynamics at Constant Temperature Velocity Scaling: Isokinetics and the Berendsen Thermostat Stochastic NVT Thermostats: Andersen, Langevin, and Dissipative Particle Dynamics The Nosé-Hoover Chain Molecular Dynamics at Constant Pressure: The Berendsen Barostat Molecular Dynamics Simulation We saw that the Metropolis Monte Carlo simulation technique generates a sequence of states with appropriate probabilities for computing ensemble averages (Eq. 1). Generating states probabilitistically is not the only way to explore phase space. The idea behind the Molecular Dynamics (MD) technique is that we can observe our dynamical system explore phase space by solving all particle equations of motion . We treat the particles as classical objects that, at least at this stage of the course, obey Newtonian mechanics. Not only does this in principle provide us with a properly weighted sequence of states over which we can compute ensemble averages, it additionally gives us time-resolved information, something that Metropolis Monte Carlo cannot provide. The ``ensemble averages'' computed in traditional MD simulations are in practice time averages : (99) The ergodic hypothesis partially requires that the measurement time, , i , in the system. The price we pay for this extra information is that we must at least access if not store particle velocities in addition to positions, and we must compute interparticle forces in addition to potential energy. We will introduce and explore MD in this section.

第六章 分子动力学模拟 Molecular Dynamics

第六章 分子动力学模拟 Molecular Dynamics –MD 6.1引言 分子动力学模拟方法是在牛顿力学的理论框架下,根据体系内分子之间的相互作用势,获得每个原子随时间运动的轨迹,通过系综平均,可以得到感兴趣的与结构和动力学性质有关的物理量,如:平均原子坐标,平均能量、平均温度及原子运动的自相关函数等。这些物理量是通过对每个原子的运动轨迹,即微观量求平均而得到的宏观量,因此可以与实验观测量进行比较。 用计算机模拟方法在向空间采样方法有两种: (1) 随机采样 MC (2) 确定性方法MD 以上讲过的MC (Monte Carlo )采样方法就是随机方法,与随机方法不同,确定性方法是按照动力学规律使系统在相空间运动。分子动力学模型就是一种确定性方法。它的基本出发点是从一个完全确定的物理模型出发,通过解牛顿运动方程而得到原子运动的轨迹。我们感兴趣的可测量的客观物理量可以通过相空间的采样求系综平均而得到。在多态历经假设成立的情况下,系综平均与长时间平均是相同的。 ? ∞ →∞==τ τ τ0 1 ))(),((lim dt t p t q A A A 系综 其中q,p 为t 的函数。A 表示系综平均,∞A 表示无穷长时间平均。因模拟时间总是有限的。对耦分子体系,当模拟时间大于分子的弛豫时间时,有限观测时间可以变成为无穷长的。 当弛豫模拟〉τt ,模拟t 可认为∞,因物理上的∞是不可能的。 6.2基本原理 1.动力学方程 基本动力学方程包括在经典力学(CM )框架下的牛顿方程和在量子动力学(QM )框架下的薛定谔方程。在常温下,经典的牛顿方程对研究生物分子体系的结构和动力学性质已经足够了,因为这时体系的量子效应并不十分重要。但是,对研究包含隧道效应的反应时间问题时,量子效应十分明显,这时就必须用QM 方程来模拟体系的量子动力学性质。

分子动力学模拟I

Gromacs中文教程 淮海一粟 分子动力学(MD)模拟分为三步:首先,要准备好模拟系统;然后,对准备好的系统进行模拟;最后,对模拟结果进行分析。虽然第二步是最耗费计算资源的,有时候需要计算几个月,但是最耗费体力的步骤在于模拟系统准备和结果分析。本教程涉及模拟系统准备、模拟和结果分析。 一、数据格式处理 准备好模拟系统是MD最重要的步骤之一。MD模拟原子尺度的动力学过程,可用于理解实验现象、验证理论假说,或者为一个待验证的新假说提供基础。然而,对于上述各种情形,都需要根据实际情况对模拟过程进行设计;这意味着模拟的时候必须十分小心。 丢失的残基、原子和非标准基团 本教程模拟的是蛋白质。首先需要找到蛋白质序列并选择其起始结构,见前述;然后就要检查这个结构是否包含所有的残基和原子,这些残基和原子有时候也是模拟所必需的。本教程假定不存在缺失,故略去。 另一个需要注意的问题是结构文件中可能包含非标准残基,被修饰过的残基或者配体,这些基团还没有力场参数。如果有这些基团,要么被除去,要么就需要补充力场参数,这牵涉到MD的高级技巧。本教程假定所有的蛋白质不含这类残基。 结构质量 对结构文件进行检查以了解结构文件的质量是一个很好的练习。例如,晶体结构解析过程中,对于谷氨酰胺和天冬酰胺有可能产生不正确的构象;对于组氨酸的质子化状态和侧链构象的解析也可能有问题。为了得到正确的结构,可以利用一些程序和服务器(如 WHATIF)。本教程假定所用的结构没有问题,我们只进行数据格式处理。 二、结构转换和拓扑化 一个分子可以由各个原子的坐标、键接情况与非键相互作用来确定。由于.pdb 结构文件只含有原子坐标,我们首先必须建立拓扑文件,该文件描述了原子类型、电荷、成键情况等信息。拓扑文件对应着一种力场,选择何种力场对于拓扑文件的建立是一个值得仔细考虑的问题。这里我们用的是GROMOS96 53a6连接原子力场,该力场对于氨基酸侧链的自由能预测较好,并且与NMR试验结果较吻合。

分子动力学模拟Word版

分子动力学模拟 分子动力学是一门结合物理,数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。 这门技术的发展进程是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法) 1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型,一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之和为零,即保证体系没有平动位移。 由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能和动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点,计算的样本正是在这个过程中抽取的。 用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分。 作用势的选择与动力学计算的关系极为密切,选择不同的作用势,体系的势能面会有不同的形状,动力学计算所得的分子运动和分子内部运动的轨迹也会不同,进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算,在计算宏观体积和微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势,计算系统能量,熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型,对于金属计算,主要采用morse势,但是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系,与实验不符,因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型,或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但是对于二体势模型,多体势往往缺乏明确的表达式,参量很多,模拟收敛速度很慢,给应用带来很大困难,因此在一般应用中,通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J,morse等势模型的应用仍非常广泛。 分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后,利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算,时间步长就是抽样的间隔,因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞,体系数据溢出;太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力,因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。但是通常情况下,体系各自由度中运动周期最短的是各个化学键的振动,而这种运动对计算某些宏观性质并不产生影响,因此就产生了屏蔽分子内部振动或其他无关运动的约束动力学,约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟时间步长,提高搜索相空间的能力。

分子动力学模拟方法的基本原理与应用

分子动力学模拟方法的基本原理与应用 摘要: 介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势, 如Lennard-Jones势; 论述了几种常用的有限差分算法, 如Verlet算法; 说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。 关键词: 分子动力学模拟; 原子间相互作用势; 有限差分算法; 分子学是一门结合物理,和化学的综合技术。分子学是一套方法,该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的量和其他宏观性质。 从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法(Molecular Dynamics Simulation, MDS) , 实践证明是一种描述纳米科技研究对象的有效方法, 得到越来越广泛的重视。所谓分子动力学模拟, 是指对于原子核和电子所构成的多体系统, 用计算机模拟原子核的运动过程, 从而计算系统的结构和性质, 其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动。它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段, 称之为“计算机实验”手段, 在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。 科学工作者在长期的科学研究实践中发现,当实验研究方法不能满足研究工作的需求时,用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息;尽管计算机模拟不能完全取代实验,但可以用来指导实验,并验证某些理论假设,从而促进理论和实验的发展。特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节,在实验中基本上是无法获得的,而在计算机模拟中即可以方便地得到。这种优点使分子动力学模拟在材料研究中显得非常有吸引力。 分子动力学模拟就是用计算机方法来表示统计力学,作为实验的一个辅助手段。分子模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统,求解运动方程(如牛顿方程、哈

分子动力学模拟与药物研发

分子动力学模拟与药物研发 著:雅格布·D·德兰特,J·安德鲁·麦坎蒙,译:张浩晨 摘要:本文讨论了例如蛋白质等大分子结构的受体及其相应的小分子配体的多原子计算机模拟在药物研发中的作用。包括对于隐秘或存在变构现象的结合位点的识别,对于传统虚拟筛选方法的改进增强,以及对于小分子结合所需能量的直接预测。目前所用模拟方法的局限性,即较高的计算成本和所要求分子模拟力场的近似性,也在文中提及。随着计算机计算能力的提升和分子动力学算法的改进,计算机辅助药物设计的前景充满希望,其中分子动力学模拟技术将充当越来越重要的作用。 关键字:分子动力学模拟,计算机辅助药物设计,隐秘结合位点,变构结合位点,虚拟筛选, 自由能预测 介绍 1965年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼,曾经有句名言说:“如果我们要做出一种假设来引导我们去探索生命的奥秘,那就是一切都是由原子构成的,而生命体所做的一切行为都可以理解为原子间有规律的或温和或剧烈的跃动。”过去的50年里,很多生物物理学一直致力于更好地了解原子的这种摇动和摆动的性质。微观世界的量子力学运动规律令那些只熟悉宏观动力学的人们感到惊讶。微观运动没有特定的规律,而是存在概率性;化学键的形成不是机械连接,而是通过改变以波和粒子状态存在的电子云。正如费曼所说的那样,大自然是那样的令人摸不着头脑。 理解这些荒谬而复杂但很神奇的分子运动规律无疑是与药物研发关系密切且很有帮助的。最初研究受体和配体结合的“锁和钥匙”理论认为容纳小分子配体的受体的结合域构象是如冰刻般一动不动,不存在任何的结构重排现象。现在这个观点已经基本被否定。取而代之的是一种新的观点,认为分子间的结合不仅引起构象的变化,同时也存在相结合分子间随机的摇摆运动。 软体动物的乙酰胆碱结合蛋白(AChBP)作为人类烟碱乙酰胆碱受体(AChR)的配体结合域结构和功能的替代,是无数可以用来说明原子运动重要性的例子之一(图1)。在结合于AChBP的小分子AChR激动剂的晶体结构显示,在结合处一个关键的环状结构部分闭锁(图 1 a,c)。相反,当体积较大的乙酰胆碱受体拮抗剂,如蛇的α -神经毒素结合到AchBP时的晶体结构表明,该环状结构扩大了至少10?,使得活性位点更加凸显(图1 b,c)。在研究未结合配体的样品的构象状态时显示,同时存在开放和闭合构象。伯恩等人提出未结合配体的AChBP或AChR是高度动态的蛋白质,推测蛋白构象在有选择地结合激动剂或拮抗剂后才趋于稳定。这些结合口袋构象中的任何一个都可能具有药效作用,因此也可能在药理学上有重要意义。如果这个配体结合的一般模型是正确的,则对于基于结构的药物设计的影响将是深远的。因为相似的结合原则可能也适用于许多其它体系。 分子动力学模拟 虽然这些晶体结构的研究有力地证明了蛋白质受体结合配体时其结构发生重排的特性起到重要的作用,但是得到这些结果所需要的费用和大量的劳动力,致使很多人转向去研究可以预测蛋白质运动的计算技术。不幸的是,模拟复杂的

分子动力学模拟及其在材料中的研究进展

《材料计算设计基础》 学号: 流水号: 姓名: 完成日期:

分子动力学模拟及其在材料中的研究进展 摘要:本文综述了分子动力学模拟技术的发展,介绍了分子动力学的分类、运动方程的求解、初始条件和边界条件的选取、平衡系综及其控制、感兴趣量的提取以及分子动力学模拟在材料中的研究进展。 关键词:分子动力学模拟平衡态系综金属材料感兴趣量径向分布函数 引言 科学工作者在长期的科学研究实践中发现,当实验研究方法不能满足研究工作的需求时,用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息;尽管计算机模拟不能完全取代实验,但可以用来指导实验,并验证某些理论假设,从而促进理论和实验的发展。特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节,在实验中基本上是无法获得的,而在计算机模拟中即可以方便地得到。这种优点使分子动力学模拟在金属材料研究中显得非常有吸引力。 分子动力学MD (Molecular Dynamics)模拟就是用计算机方法来表示统计力学,作为实验的一个辅助手段。MD模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统,求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程),其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用下运动,通过分析系统中各粒子的受力情况,用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度,以确定粒子的运动状态,进而计算系统的结构和性质。该模拟技术主要涉及粒子运动的动力学问题,与蒙特卡罗模拟方法(简称MC)相比,分子动力学是一种“确定性方法”, 它所计算的是时间平均,而MC进行的是系综平均。然而按照统计力学各态历经假设,时间平均等价于系综平均。因此,两种方法严格的比较计算能给出几乎相同的结果。 经典的分子动力学方法是Alder等于1957年提出并首先在“硬球”液体模型下应用,发现了由Kirkwood在1939年根据统计力学预言的“刚性球组成的集合系统会发生有液相到结晶相的转变”。后来人们称这种相变为Alder相变。Rahman

分子动力学模拟知识点总结

分子动力学模拟: 对于原子核和电子组成的多体体系,求解运动方程(哈密顿,牛顿,拉格朗日),用经典和量子化方法求解粒子的运动状态。 MC方法:系综(抽样)平均法分子动力学:时间平均 一优点:遇到的不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。核心算法:粒子的运动状态就必须把运动方程离散化,离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。缺点:元胞体积和形状不变,不含有自由电子,对金属体系计算不理想。 注意:一般而言,MD模拟时间足够长,初始条件不会影响计算结果,但是会加大构型平衡的计算时间。 二步骤: 1.选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。 2.设定区域的边界条件,选取粒子间相互作用势模型;要注意观察PBC边界条 件的使用,以及计算格子和建模的晶格子之间的关系。体系是单胞沿不同方向重复叠合而组成。但模拟时只保留基本单元,由平移对称矩阵计算得到其他原子的空间坐标。最小近邻的截断半径。 3.设定系统所有粒子的初始位置和初始速度; 4.计算粒子间相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度;最好与实际模 型相符,以减少达到平衡的时间。势场参数调整,最小近邻的截断半径。 对势:LJ势(惰性气体,过渡金属,柔韧材料),Born-lande势(离子晶体),Morse势,Johnson势(金属)发展到三体势,缺点是导致Cauchy关系,即不能描述晶体的弹性性质。 多体势:80年代以后,EAM势等(晶体对势+核嵌入电子云嵌入能),多用于金属。 5.待体系达到平衡后,构型积分获得体系的宏观性质。选取合适的系综,控制

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