分子力学计算
分子热力学的理论与计算方法
分子热力学的理论与计算方法分子热力学是热力学的一个分支，研究的对象是微观粒子的热运动规律和性质，以及热力学性质和宏观现象之间的联系。
分子热力学的理论和实验基础是分子运动论和统计物理学。
分子运动论认为，物质的微观粒子存在着热运动，而这种运动是有规律的。
在分子热力学中，研究物质的热力学性质时，将物质分子看作是以各种方式运动的小粒子，并用统计方法研究它们的行为。
这种方法对于解决许多实际问题是非常有效的。
分子热力学的理论包括配分函数理论、状态方程、热力学基本方程等。
配分函数理论是分子热力学的核心，它是将物理粒子的状态描述用统计方法进行处理的一种数学工具。
配分函数可以引导温度、能量、熵等热力学性质的计算。
热力学基本方程是描述热力学过程的核心表达式。
它表明了热力学系统的热力学性质与微观状态变化（即粒子位置、运动方式等）之间的数学关系。
热力学基本方程可以被用来描述许多重要的工业过程，如蒸汽发动机、制冷机等。
计算方法是分子热力学理论的实践基础。
计算方法不仅要考虑到物质的分子粒子本身，还需要考虑到它们之间的相互作用。
目前常用的计算方法有统计模拟和分子动力学模拟。
统计模拟是一种大规模的计算方法，它模拟了多个粒子的热运动和力学运动，并用统计方法求解物质的热力学性质。
这种方法的优点是可以处理具有大量粒子的物体，但是计算量大，需要使用高性能计算机。
分子动力学模拟是一种经过数学和物理基础理论验证的计算方法，它模拟了分子的运动，可以直接观察和分析分子之间的相互作用，得到了很多实验难以获得的数据。
分子动力学模拟广泛应用于纳米材料、生物分子、高分子物质等领域的研究。
总体而言，分子热力学理论和计算方法是探索物质微观世界的重要工具，它的应用涉及到许多相关领域，如化学、生物学、材料科学等。
研究分子热力学不仅有助于深入了解物质的性质和行为，还对于开发新型材料、设计新药物等具有重要意义。
化学键的键级与键能的计算
化学键的键级与键能的计算化学键是指两个原子之间的强有力的相互作用力，它是构成化合物和分子的基本力。
化学键的键级和键能是描述化学键强度的重要参数。
本文将详细介绍化学键的键级与键能的计算方法。
一、化学键的键级计算化学键的键级是指一个化学键能构成离子店结构的能力。
常见的化学键级计算方法有以下几种：1. 电负性差值法电负性差值法是根据两个原子的电负性差值来估计化学键的键级。
电负性差值越大，共价键越极性，键级越小。
常用的电负性差值法计算化学键级的公式为：键级 = (2.5 ^ (电负性差值)) / 2其中，电负性差值为两个原子的电负性差的绝对值。
2. 自然键轨道理论自然键轨道理论是通过分子轨道理论计算化学键的键级。
该理论认为化学键是由原子轨道叠加形成的，并通过分析叠加程度来计算键级。
自然键轨道理论比较复杂，需要借助计算机进行计算。
3. 结构参数法结构参数法是根据原子的可用接触面积来计算化学键的键级。
可用接触面积是指两个原子之间在化学键形成时可接触的表面积。
结构参数法计算化学键级的公式为：键级 = 可用接触面积 / 标准共价键的可接触面积其中，标准共价键的可接触面积是指碳原子与碳原子之间形成共价键时的可接触面积。
二、化学键的键能计算化学键的键能是指断裂一个化学键所需的能量。
常见的化学键能计算方法有以下几种：1. 键长-键能关系法键长-键能关系法是通过测量或计算键长来估计化学键能。
键长和键能呈正相关关系，键长越短，键能越大。
通过化学键的键长可以估计其对应的键能。
2. 分子力学法分子力学法是通过计算分子结构和相互作用力来估计化学键能。
该方法基于经典力学原理，将分子看作一组由原子和键组成的粒子，并通过计算键的伸长和扭曲对应的势能来确定键能。
3. 密度泛函理论密度泛函理论是通过对电子密度的计算来估计化学键能。
该理论基于量子力学原理，通过求解薛定谔方程来计算化学键的能量。
结论化学键的键级与键能是描述化学键强度的重要参数。
分子力学和分子动力学方法基础
分子力学和分子动力学方法基础分子力学（Molecular Mechanics）和分子动力学（Molecular Dynamics）是在计算化学中常用的两种方法，用于研究分子结构和性质。
它们基于经典力学和统计力学理论，通过模拟分子间的相互作用来预测分子的行为。
分子力学方法首先被用于模拟蛋白质三维结构和稳定性，但现在已扩展到了许多其他领域，如药物设计、材料科学和生物化学等。
分子力学模拟通过建立分子中原子之间的相互作用势能函数，来计算其结构、能量和力学性质。
这些势能函数通常由力场参数和电子性质来描述，包括键长、键角、二面角、范德华力等。
分子力学方法主要基于以下假设：分子是刚性物体，原子之间的力可以通过经验势能函数描述，且分子在平衡位置附近做小振幅运动，使得能量最小化。
采用这些假设，我们可以通过最小化总能量来获得分子的最稳定构型。
在分子力学方法中，常用的技术包括能量最小化和构象等。
然而，分子力学方法并不能考虑分子体系的动力学行为，即不能模拟分子在时间上的演化。
为了解决这个问题，分子动力学方法被引入。
分子动力学方法可以通过在分子中引入速度，通过牛顿运动定律来模拟分子的行为。
分子动力学方法中，系统中的原子的运动是通过数值求解Newton's equations of motion得到。
这样的模拟可以提供关于分子结构和行为的动态信息。
分子动力学方法可以模拟温度、压力、流体动力学以及物体的力学性质等。
它可以模拟从毫秒到纳秒乃至皮秒量级的时间尺度。
为了获得物理现象的平均性质，通常需要对系统进行多次模拟，这些模拟称为ensemble。
总体而言，分子力学和分子动力学方法提供了深入研究分子结构和性质的手段。
它们是理解生物分子如蛋白质、核酸和多肽等的功能和性质，并用于物质设计和材料科学的重要工具。
随着计算能力的提高，这两种方法在计算化学和生命科学领域的应用会越来越广泛。
分子力学与分子动力学
Molecular Mechanics and Molecular Dynamics
甄云梅 20111210
内容
简介 力场
1.分子力场的势函数形式
2.分子力场分类 3.力场的参数化
能量最小化 热力学性质
分子力学----简介
分子力学----简介
分子力学，又叫力场方法（
分子力学----分子力场的势函数形式
分子力学----分子力场的势函数形式
分子力学----分子力场的势函数形式
键伸缩能
EBondDStretching——谐振子函数 e [exp( A(l l0 )) 1]2 键伸缩能 s
1
De：depth of (l potential energy minimum Es ks the l0 )2 2 A=ω√μ/2De 平衡键长 键长 μ：mess 键伸缩力常数 ω：frequency of the bond vibration (ω= √κ/μ) 含非谐项的函数： l0 ：the reference value of the bond
N
• 大部分力场如AMBER, TRIPOS, CHEM-X, CHARMm, COSMIC, DREIDING和CVFF采 用较简单的势函数形式
• 第二代力场如MM2, MM3, CFF及MMFF94 采用傅里叶级数形式
分子力学----分子力场的势函数形式
二面角扭转能
由于二面角的扭转对总能量的贡献小于键长和键角的贡献， 一般情况下二面角的改变要比键长和键角的变化自由得多。 因此在一些处理大分子的力场中常保持键长、键角不变， 只考虑二面角及其他的作用而优化整个分子的构象和能量。
分子动力学计算范文
分子动力学计算范文分子动力学（Molecular Dynamics, MD）是一种用于模拟和研究分子系统中粒子运动的计算方法。
它基于牛顿力学原理，通过计算相互作用力的作用，模拟粒子在所受力的影响下的运动轨迹，从而可以了解分子体系的结构、动力学性质和宏观物性。
本文将介绍分子动力学的基本原理以及在材料科学、生物化学等领域的应用。
m_i * d^2r_i / dt^2 = F_i其中m_i是粒子i的质量，r_i是粒子i的位置矢量，F_i是粒子i所受到的合力。
通过引入力场模型，计算出相互作用力，可以将粒子的位置和速度用时间的函数进行描述。
通过不断迭代求解粒子的运动方程，可以模拟出系统在一定时间内的运动轨迹。
分子动力学方法在材料科学中有广泛的应用。
例如，通过模拟材料的热力学性质，可以研究材料的热膨胀系数、热导率、熔化温度等物性参数。
此外，通过模拟材料的力学性质，可以研究材料的弹性模量、硬度、断裂韧性等力学性能。
此外，还可以通过分子动力学模拟研究材料的结构演变和相变过程。
通过改变初始条件和参数，可以模拟出不同条件下的材料的性质和行为。
在生物化学领域，分子动力学方法也是常用的方法之一、例如，通过模拟蛋白质的结构和动力学性质，可以了解其稳定性和功能机制。
通过分子动力学模拟，可以研究蛋白质的折叠过程、稳定性、动力学行为等，为研究蛋白质的功能和药物设计提供重要的理论依据。
此外，分子动力学方法还被广泛应用于化学反应的模拟和研究。
通过模拟反应过程中参与反应的分子的运动，可以了解反应的速率、选择性和反应途径。
通过研究反应的过渡态和活化能等参数，可以预测和优化反应条件，提高反应的效率和选择性。
综上所述，分子动力学是一种重要的计算方法，可以模拟和研究分子系统中粒子的运动行为。
它在材料科学、生物化学等领域的应用非常广泛，有助于了解材料和生物分子的结构、性质和行为。
随着计算机技术的不断发展和计算能力的提升，分子动力学方法将在更广泛的领域得到应用，并对科学研究和工程技术发展产生重要的影响。
分子动力学 mm计算
分子动力学mm计算分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）是一种基于牛顿运动定律和经典统计力学原理的计算方法，用于模拟分子或原子在三维空间中的运动。
通过分子动力学模拟，可以研究物质的结构、性质和行为，为材料科学、化学、生物学等领域的研究提供重要信息。
分子动力学模拟的基本步骤如下：1. 构建模型：根据实验数据或理论预测，确定分子或原子的类型、位置和初始速度。
2. 力场选择：选择合适的力场（Force Field），用于描述分子间相互作用和内部能量。
力场是一组参数，包括键长、键角、二面角等，以及势能函数。
常用的力场有AMBER、CHARMM、GROMOS等。
3. 积分运动方程：根据牛顿第二定律，对分子的运动方程进行数值积分，得到分子的位置和速度随时间的变化。
常用的积分方法有欧拉法（Euler Method）、隐式法（Implicit Method）和Verlet算法等。
4. 能量最小化：在模拟过程中，需要不断调整分子的位置和速度，使系统的能量趋于最小。
常用的能量最小化方法有梯度下降法（Gradient Descent）和共轭梯度法（Conjugate Gradient）等。
5. 温度控制：为了保持系统的热平衡，需要对分子的速度进行随机扰动，使其满足麦克斯韦-玻尔兹曼分布。
常用的温度控制方法有恒定温度（Constant Temperature）和恒定压力（Constant Pressure）等。
6. 输出结果：根据需要，可以输出分子的位置、速度、能量等信息，以便进一步分析。
分子动力学模拟的主要应用领域包括：1. 蛋白质结构预测：通过分子动力学模拟，可以研究蛋白质的折叠过程、稳定性和功能等方面的问题。
这对于理解蛋白质的结构和功能具有重要意义。
2. 聚合物物理：分子动力学模拟可以研究聚合物的结晶、熔融、取向等现象，以及聚合物与其他物质的相互作用等问题。
这对于设计和制备高性能聚合物材料具有指导意义。
2 分子动力学第二章
2.2 力场函数的内容
一般而言，分子力场函数由成键项Ubonded、 交叉项Ucross和非键项Unobonded三部分构成， 所以分子总势能为：
U total = U bonded + U cross + U nobonded
成键项（Bonded Term）
• • • • 键伸缩能 键角弯曲能 二面角扭曲能 离平面振动能 Us Ua Ut Uo
1
r12
2
3
r23
二面角扭曲能(torsion
angle)
• 单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量 变化.
U t = kn [1 ± cos(nϕ − ϕ 0 )] 1 2 U t = k (ϕ − ϕ 0 ) 2
1
4
2
3
离平面振动能(out of plane bending)
• 共平面的四个原子中有一个原子偏离平面 进行微小振动所引起的分子能量变化.
• 利用LJ势描述原子间vdw作用的时候,通常 有两种方式： • 1，指定反应参数 • 2，分别指定参数 举例说明:水和甲醇混合液中的vdw类型
ε i j = ε iε j
1 σ ij = (σ i + σ j ) 2
Ai j = Ai Aj Bij = Bi B j
力场函数中参数的获得
• 有两种来源： 1，实验观测的数据 2，量子力学计算的数据 • 方法： 1，提出函数形式，并估计力常数的值 2，根据一些分子（或晶体）的结构+性质数据进行拟合 3，重复进行多次，并逐渐增加拟合的结构和性质，误差小 于一定标准时即可 拟合通常采用的软件：GULP。
• 分析力学所注重的不是力和加速度，而是 具有更广泛意义的能量，同时又扩大了坐 标的概念，因而使这种方法和结论便于运 用到物理学的其它领域。 • 但是由于分析力学中数学推理较多，在历 史上曾经发生过一些不良倾向，容易使人 忘记力学的物理实质。 1. 拉格朗日力学 2. 哈密顿力学
分子动力学md
分子动力学md分子动力学（Molecular Dynamics, MD）是一种以牛顿力学为基础，模拟分子间相互作用和运动的计算方法。
通过模拟分子的运动轨迹和相互作用力，可以研究分子的结构、动力学行为和物性。
分子动力学方法在材料科学、生物化学、物理化学等领域都有广泛的应用。
分子动力学模拟通常基于牛顿第二定律，即F=ma，其中F是作用力，m是质量，a是加速度。
通过求解分子的运动方程，可以得到分子在不同时间点的位置和速度。
在分子动力学模拟中，分子被看作是由粒子组成的。
每个粒子的运动状态由其位置和速度决定。
模拟开始时，需要给定分子的初始位置和速度。
随后，根据分子间的相互作用力，计算出每个粒子的加速度并更新其位置和速度。
这一过程在一系列离散的时间步骤中进行，每个时间步骤称为一个时间点。
分子动力学模拟中，分子间相互作用力通常用势能函数来描述。
常见的势能函数包括Lennard-Jones势能和Coulomb势能等。
通过这些势能函数，可以计算分子间的相互作用力，从而模拟分子的运动行为。
分子动力学模拟的精确性和计算效率取决于模拟系统的尺寸和时间步长的选择。
较大的模拟系统和较小的时间步长可以提高模拟的准确性，但会增加计算的复杂性和耗时。
因此，研究者需要在准确性和计算效率之间进行权衡，选择合适的模拟条件。
分子动力学模拟可以用于研究不同尺度和时间范围的问题。
在材料科学中，可以通过模拟分子的运动来研究材料的力学性能、热学性质和相变行为。
在生物化学中，可以模拟蛋白质的折叠过程和酶催化反应等生物分子的重要过程。
在物理化学中，可以研究溶液的结构和动力学行为，以及分子间相互作用的性质和机制。
分子动力学模拟在科学研究和工程应用中发挥着重要作用。
通过模拟和分析分子的运动行为，可以揭示物质的微观本质和宏观性质之间的关系，为材料设计、药物开发和环境保护等领域提供理论指导和实验设计。
同时，分子动力学模拟也面临着计算复杂性和模拟尺度限制等挑战，需要不断发展和改进模拟算法和计算技术。
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功能介绍：
Chem3D模块：提供3D分子轮廓图及分子轨道 特性分析，并和数种量子化学软件结合在一起。 由于Chem3D提供完整的界面及功能，已成为 分子仿真分析最佳的前端开发环境。 ·ChemProp：预测BP、MP、临界温度、临界 气压、吉布斯自由能、logP、折射率、热结构 等性质。 ·Excel Add-on：与微软的Excel完全整合，并 可连结ChemFinder。
分子光谱（振动光谱、电子光谱）是结构 化学中非常重要的内容之一。
研究物质的分子光谱，可以使我们了解分 子中电子的运动，分子中各原子核的相对振动 以及整个分子的转动情况。分子光谱也是现代 研究分子结构和进行定性、定量分析的重要方 法之一。
HyperChem能够对分子进行振动分析，对振 动频率、振动模式、红外吸收强度、电子跃迁 等进行计算，
ChemDraw Ultra 9.0：化学结构绘图 Chem3D Ultra 9.0：分子模型及仿真 ChemFinder Pro 9.0：化学信息搜寻整合系统
功能介绍： ChemDraw 模块：世界上最受欢迎的化 学结构绘图软件，各论文期刊指定格式。
•AutoNom：是Beilsteiny最强的软件，现已内 含在ChemDraw Ultra内，它可自动依照 IUPAC的标准命名化学结构。
功能介绍：
ChemFinder模块 ：化学信息搜寻整合系统，可以建立 化学数据库、储存及搜索，或搭配ChemDraw、 Chem3D使用，也可以使用现成的化学数据库。 ChemFinder是一个智能型的快速化学搜寻引擎，所提 供的ChemInfo是目前世界上最丰富的数据库之一，包 含ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、 ChemMSDX，并不断有新的数据库加入。 ChemFinder可以从本机或网上搜寻Word，Excel， Powerpoint，ChemDraw，ISIS格式的分子结构文件。 还可以与微软的Excel结合，可连结的关连式数据库包 括Oracle及Access，输入的格式包括ChemDraw、MDL ISIS SD及RD文件。
6. 数据库（Database） 氨基酸、核酸、糖类。
6. 其它模块：晶体构造器；糖类构造器，构 像搜寻，QSAR特性，脚本编辑器。
Chemoffice
世界上应用最广泛的化学办公软件包 Chemoffice 2005 (9.0)版 Chemoffice 2006 (10.0)版 平台：Windows ChemOffice Ultra 2005包含几大软件:
第十六章 常规化学软件的应用
1、HyperChem8.0 软件 2、Chemoffice 软件包
HyperChem 简介
HyperChem软件是HyperCube公司开 发的Windows界面程序。是常用的分子设 计和模拟软件。
应用： 1、构建复杂的分子模型 2、综合计算与分析
1. HyperChem软件功能强大，组成模块： (1)构造分子； (2)优化分子结构； (3)研究分子反应； (4)观察轨道和电子图谱； (5)评估化学反应路径； (6)研究分子动力学。
分子力学计算；
分子动力学模拟计算（Langevin，Metropolis Monte Carlo模拟）。
4. 可以用来研究的分子特性：
同位素的相对稳定性；生成热；活化能；原 子电荷；HOMO-LUMO能量间隔；电离势； 电子亲和力；偶极矩；电子能级；过渡态结 构和能量；非键相互作用能；
5.模拟分子光谱
量子化学计算软件：
Gaussian Client：（需要安装Gaussian 03W） CS GAMESS：（需要另外获得GAMESS） MOPAC Pro：已内含在Chem3D Ultra内，搭 配Chem3D的图形界面。
分子计算的方法有AM1、PM3、MNDO、 MINDO/3和新的MINDO/d。 可以计算瞬时的 几何形状及物理特性等。
绘制分子的其它软件： ISISDraw ACD ChemSketch ChemWindow
2.建立与显示分子骨架模型： 结构输入和对分子操作。 除了能绘制分子的平面结构，还能够获得
分子的空间构型、键长、键角、扭转角、氢键 等参数。建立起3D或2D分子结构模型。 几何优化
3. 化学计算： 量子化学计算（从头计算，半经验方法，密度 泛函计算）：单点计算、几何优化和过渡态寻 找计算；