分子模拟的原理及应用1-陈正隆教材
分子动力学模拟方法的基本原理与应用(可编辑修改word版)
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。
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。
分子模拟教学大纲
分子模拟教学大纲分子模拟教学大纲引言：分子模拟是一种利用计算机模拟分子运动和相互作用的方法，可以帮助我们深入理解物质的性质和行为。
随着计算机技术的不断进步，分子模拟在材料科学、生物科学、化学等领域得到了广泛的应用。
为了更好地开展分子模拟教学，制定一份科学合理的教学大纲是非常重要的。
一、教学目标1.了解分子模拟的基本原理和方法；2.掌握分子模拟的常用软件和工具；3.能够进行简单的分子模拟实验；4.培养学生的科学思维和实验能力。
二、教学内容1.分子模拟的基本概念- 分子模拟的定义和发展历程- 分子模拟的应用领域2.分子力学模拟- 动力学方程与模拟算法- 分子力场的选择与参数化- 分子构象搜索和优化3.量子化学模拟- 原子轨道理论和密度泛函理论- 基态和激发态的计算方法- 分子电子结构的模拟4.分子动力学模拟- 系统的初始构型和边界条件- 动力学模拟的时间步长和温度控制- 动力学模拟的结果分析5.分子模拟软件和工具- 常用的分子模拟软件介绍- 分子模拟实验的数据可视化和分析工具6.分子模拟实验- 分子模拟实验的设计和操作- 实验结果的分析和解释7.分子模拟在材料科学、生物科学和化学中的应用案例 - 分子模拟在新材料设计中的应用- 分子模拟在生物分子结构和功能研究中的应用- 分子模拟在化学反应机理研究中的应用三、教学方法1.理论授课结合实例分析2.分组讨论和小组实践3.计算机模拟实验操作演示4.实验报告和结果分析四、教学评价1.课堂参与和讨论2.实验操作和报告3.期末考试或项目评估结语：分子模拟作为一种重要的科学研究方法，对于培养学生的科学思维和实验能力具有重要意义。
通过科学合理的教学大纲，可以帮助学生系统地掌握分子模拟的基本原理和方法，培养他们的科学素养和实践能力。
同时，分子模拟的教学也需要不断更新和改进，结合最新的研究成果和实践经验，提高教学质量和效果，为培养高素质科技人才做出贡献。
分子模拟原理及应用
������ σij = -1/V Σ ( Mαviαvjα+1/2ΣFiαβrjαβ) ……………………… (1)
式中, V 为模拟系统盒子的体积, viα为原子α在i 方向的速度分量, Fi αβ为 α和β原子在i 方向的相互作用力, rjαβ 为α和β原子在j 方向的距离。可以 看出表达式( 1) 计算了模拟系统体积内原子的平均应力。式中第一项为 与原子热运动相关的动能项, 第二项为与变形相关的势能项。
Bi2Te3的分子动力学模拟
姓名：刘晓 学号：2013207248 班级：应用化学1班 专业：电化学 学院：化工学院
主要内容：
1.分子模拟技术的概述； 2.含圆孔Bi2Te3 单晶拉伸变形的分子动力学模拟； 3.不同温度Bi2Te3纳米线力学性能分子动力学模拟。
1. 分子模拟技术的概述
1.1 分子模拟的概念 分子模拟是80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术，是
同时发现在线弹性阶段原子排列始终保持规则形状, 圆孔边 缘存在应力集中。破坏发生时, 在应力集中部位突然出现裂缝, 并 逐渐迅速向模型外部边缘扩展直至断裂。
由应力-应变曲线以及拉伸过程中的原子构型变化可以看出 含孔Bi2Te3 单晶材料单轴拉伸的破坏形式表现为脆性断裂的特征。
分子模拟方法及其应用研究
分子模拟方法及其应用研究近年来，随着计算机技术的飞速发展，分子模拟方法在材料、化学、生物、医学等领域得到了广泛应用。
分子模拟是通过计算机模拟分子运动过程，从而研究分子结构、性质和动力学行为的方法。
本文将介绍分子模拟方法及其应用研究的相关内容。
一、分子模拟方法的种类分子模拟方法主要有分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟、量子化学计算和分子力场方法等。
其中，分子动力学模拟是最为常见的一种方法，它可以模拟分子在不同温度下的动力学行为。
蒙特卡罗模拟则是通过随机抽样的方法模拟分子的运动和状态，常用于研究统计物理和化学反应等问题。
而量子化学计算则是研究分子的电子结构和化学键性质的重要方法，常用于材料科学和药物研究等领域。
分子力场方法则是研究分子的力学性质和热力学性质的方法，也是材料和化学研究的常用方法之一。
二、分子模拟在材料科学中的应用先进材料的研发需要从分子层面加以研究，并且需要了解其物理、化学和力学性质。
分子模拟在材料科学中具有广泛应用，例如可以通过分子动力学模拟来研究材料的热膨胀性质；通过分子力场方法来模拟材料的机械性质；通过量子化学计算来研究材料的光电性质等等。
三、分子模拟在化学领域中的应用分子模拟在化学领域中的应用主要有两个方面。
一方面是通过分子力场方法研究化学反应的动力学行为和反应机理。
另一方面则是通过量子化学计算研究分子的电子结构和化学键破裂等问题，常用于药物研发和环境污染物的分解等问题的研究中。
四、分子模拟在生物和医学中的应用分子模拟在生物和医学中的应用也非常广泛。
例如，可以通过分子动力学模拟来研究蛋白质的结构和功能；可以通过量子化学计算来研究药物与蛋白质的相互作用；可以通过蒙特卡罗模拟来模拟生物分子在体内的行为等等。
五、分子模拟方法的发展趋势随着计算机技术的不断发展和硬件设备的不断升级，分子模拟方法将会得到进一步发展。
其中，计算方法的发展、模拟算法的优化、计算技术的普及和人工智能的应用是分子模拟方法发展的主要方向。
分子动力学模拟原理及其在材料科学中的应用
分子动力学模拟原理及其在材料科学中的应用概述：分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation，简称MD）是一种基于牛顿经典运动方程的计算模拟方法，通过对原子或分子的位置、速度和受力进行迭代计算，模拟物质的宏观行为和微观结构。
该方法广泛应用于材料科学领域，用于研究原子尺度下的材料特性和反应行为，帮助解决许多实验无法观察到的现象。
模拟原理：分子动力学模拟基于牛顿第二定律和经典力场理论进行计算。
它将原子或分子看作质点，根据相互作用力和势能函数，使用数值积分方法求解运动方程，模拟物质内粒子的运动和相互作用。
在模拟过程中，需要考虑分子间相互作用力、键角势、位阻效应、偶极矩等因素，并通过热力学和统计学方法进行分析。
应用领域：1. 材料力学性能的研究：通过分子动力学模拟，可以研究材料的力学性能，如材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
研究材料在不同应力和温度条件下的变化规律，可为材料设计和改性提供理论依据。
2. 材料缺陷与断裂行为：分子动力学模拟可以对材料中的缺陷进行研究，如晶体缺陷、位错、晶界等。
通过模拟分子在缺陷附近的行为，可以理解和预测材料的缺陷对材料性能的影响，同时也能研究材料的断裂行为和断裂韧性。
3. 界面和表面性质研究：分子动力学模拟可用于研究材料中的界面和表面性质。
通过模拟原子在界面和表面处的行为，可以研究材料的表面能、界面结合能、界面扩散等因素，为材料的表面改性和界面控制提供理论支持。
4. 物质相变和相分离研究：分子动力学模拟可以模拟材料的相变和相分离行为，如晶体生长、相分离、固溶体形成等。
通过模拟不同条件下材料相变的过程和机制，可以预测材料的相变温度、相变速率等重要参数，从而指导材料的合成和工艺。
5. 反应动力学研究：分子动力学模拟可用于研究材料中的化学反应和催化反应机制。
通过模拟反应物在反应中的行为，可以研究反应物之间的相互作用、反应速率、反应通道等，为理解和优化化学反应提供理论依据。
分子模拟第一章
➢ 分子模拟——更广的一个定义，包括上述全部
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9
分子模拟历史及意义
分子模拟的思想溯源于上世纪初量子力学的兴起
1925年 1926年 1927年
1930年 1933年
1946年
……
Heisenberg发表了第一篇量子力学的文章， Schrodinger发表了著名的波动方程 采用量子力学的方法计算了氢分子的轨道，
Molecular modeling is
a technique for deriving, representing , manipulating the structures and reactions of molecules, and those properties that are dependent on these three dimensional structures
简单的说：计算机图形学和计算理论的结合
特点：更抽象的模型有关
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4
常见的分子模型
CPK
线
框 模 型
模 型
球
棍
棍
状
模
模
型
型
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5
常见的生物分子模型
碳飘片状精骨带品管课架模件状模型模型12型
6
应用举例——分子动力学
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7
分子模拟计算理论
根据基本原理的不同，分子模拟主要有量子力学 模型和分子力学模型两类
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13
ห้องสมุดไป่ตู้
分子模拟的常用软件
1，常用的平台软件
1，SYBYL 2，InsightII 3，HyperChem 4，PCmodel
《分子模拟方法》课件
加速研发进程
分子模拟可以大大缩短药 物研发、材料合成等领域 的实验周期，降低研发成 本。
揭示微观机制
通过模拟，可以揭示分子 间的相互作用机制和反应 过程，有助于深入理解物 质的性质和行为。
分子模拟的发展历程
经典力学模拟
基于牛顿力学，适用于 较大分子体系，但精度
较低。
量子力学模拟
适用于小分子体系，精 度高，但计算量大，需
详细描述
利用分子模拟方法，模拟小分子药物与生物大分子（如蛋白质、核酸等）的相 互作用过程，探究药物的作用机制和药效，为新药研发提供理论支持。
高分子材料的模拟研究
总结词
研究高分子材料的结构和性能，优化 材料的设计和制备。
详细描述
通过模拟高分子材料的结构和性能， 探究高分子材料的物理和化学性质， 优化材料的设计和制备过程，为新材 料的研发提供理论指导。
分子动力学方法需要较高的计算资源和 精度，但可以获得较为准确的结果，因 此在计算化学、生物学、材料科学等领
域得到广泛应用。
介观模拟的原理
介观模拟是一种介于微观和宏观之间的模拟方 法，通过模拟一定数量的粒子的相互作用和演 化来研究介观尺度的结构和性质。
介观模拟方法通常采用格子波尔兹曼方法、粒 子流体动力学等方法，适用于模拟流体、表面 、界面等介观尺度的问题。
分子模拟基于量子力学、经典力 学、蒙特卡洛等理论，通过建立 数学模型来描述分子间的相互作
用和运动。
分子模拟可以用于药物研发、材 料科学、环境科学等领域，为实 验研究和工业应用提供重要支持
。
分子模拟的重要性
01
02
03
预测分子性质
通过模拟，可以预测分子 的性质，如稳定性、溶解 度、光谱等，为实验设计 和优化提供指导。
分子动力学模拟的若干基础应用和理论
分子动力学模拟的若干基础应用和理论一、本文概述分子动力学模拟是一种基于经典力学的计算方法，通过求解分子体系的牛顿运动方程，模拟分子在特定条件下的动态行为。
该方法广泛应用于物理、化学、生物和材料科学等领域，为研究者提供了一种有效的工具，以深入理解和预测分子系统的宏观性质。
本文旨在探讨分子动力学模拟的若干基础应用和理论，从基础概念出发，阐述其基本原理、模拟方法以及在各个领域中的应用实例。
我们将详细介绍分子动力学模拟的核心技术，包括力场模型、初始条件设定、积分算法和模拟结果的解析等。
本文还将讨论分子动力学模拟的局限性以及未来的发展方向，以期为相关领域的研究人员提供有益的参考和启示。
二、分子动力学模拟的理论基础分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation, MDS）是一种强大的计算技术，通过求解分子体系的牛顿运动方程，模拟分子在特定条件下的动态行为。
其理论基础主要建立在经典力学、统计力学以及量子力学之上，但在大多数应用中，由于计算能力的限制，经典力学是主要的工具。
在经典力学中，每个分子的运动可以通过牛顿第二定律来描述，即力等于质量乘以加速度（F=ma）。
在分子动力学中，这些力通常是分子间相互作用力，包括范德华力、氢键、库仑力等。
这些力可以通过分子力学模型或量子力学方法计算得出。
分子动力学模拟通常包括以下几个主要步骤：需要设定模拟的初始条件，包括分子的初始位置、速度和模拟的温度、压力等环境参数。
然后，根据分子间的相互作用力，通过求解牛顿运动方程，计算出每个分子在下一时刻的位置和速度。
这个过程会不断重复，直到模拟达到预设的时间长度或达到某种平衡状态。
在模拟过程中，为了处理大量的分子和长时间的模拟，通常会采用一些近似和简化的方法，如截断半径、周期性边界条件等。
由于分子间的相互作用力往往非常复杂，因此在模拟中通常会采用一些经验性的力场模型，如Lennard-Jones势、Morse势等。
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Kcal/mol
V3 0.52 0
angle Csp3-Csp3-Csp3-Csp3 Csp2-Csp3-Csp3-Csp2
V1 0.185 5.0
V2 0.170 0
Csp2-Csp2-Csp2-Csp2
Csp3-Csp2-Csp2-Csp2 Csp3-Csp2-Csp2-Csp3
U (rij )
U (rij )
2
Aij r qi q j
12 ij
Bij rij
6
12 6 ij ij U ( rij ) 4 ij 12 6 r r ij ij
117.2 121.4 122.5 k (kcal mol-1 deg-1)
Angle
Csp3-Csp3-Csp3 Csp3-Csp3-H H-Csp3-H
Csp3-Csp2-Csp3 Csp3-Csp2=Csp2 Csp3-Csp2=O
9.910-3 7.910-3 7.010-3
9.910-3 1.2110-2 1.0110-2
AB A B
AB
1 ( A B ) 2
典型的范德华势能参数
原子或分子 He Ne Ar Kr Xe CH4 CF4 SF6 /kB(K) 10.41 42.0 141.6 199.8 281.0 161.3 156.5 207.7 (Å) 2.602 2.755 3.350 3.581 3.790 3.721 4.478 5.252
双面角, 扭转角
dihedral angle, torsion angle
任何 4 个连续的原子 A-B-C-D
H2O2 分子的双面角扭转角
扭转角势能
1 V V1 (1 cos ) V2 (1 cos2 ) V3 (1 cos3 ) 2 i
O-C-C-O
扭转角力常数 typical torsional constants
VDW 远程作1977)
1 Eb K b (r r0 ) 2 2
Bond
任何 2 个连续的原子 A-B
r0 (A) Kb (kcal mol-1 A-2)
Csp3 - Csp3
Csp3 - Csp2 Csp2 = Csp2 Csp2 = O Csp3 – Nsp3 C – N (amide)
0
-0.3 -0.7
16.25
16.25 16.25
2.00
0 0
H-Csp3-Csp3-Csp3
H-Csp2-Csp3-Csp3 H-Csp2-Csp2-Csp2 H-Csp3-Csp3-H
0
0 0.4 0
0
0 16.25 0
0.28
1.00 0 0.238
离平面振动 out-of-plane bending
分子模拟的原理及应用
Principles & Applications of Molecular Modeling
陈正隆 中山大学化学系
计算在化学报告的百分比重图
资料来源: 美国化学会 (American Chemical Society, ACS)
分子模拟 (Molecular Modeling)
MM 形式力场的远程作用项
6 r 5 U VDW (r ) 2.25 1.84 10 exp 12.0 r
atom (kcal/mol)
(A)
C
H
0.027
0.02
2.04
1.62
C3H8 的势能: U ( R)
U U nb U b U U U U el
常见的力场形式
U (r ) Kb (r r0 )2
U ( ) K ( 0 )2
U ( ) K (1 cos(n 0 ))
U ( ) K
Force Field
力场
力场 Force Field
力场:将分子的势能表示为分子中原子
几何坐标的简单函数
U molecule U ( x1, y1, z1, x2 ,....,zN )
双原子分子振动
1 U (r ) k b (r r0 ) 2 2
范德华势能 Van der Waals 12-6 potential
1.523
1.497 1.337 1.208 1.438 1.345
317
317 690 777 367 719
键角弯曲势能
U ( ) k ( 0 ) 2 2
(angle bending potential) 任何 3 个连续的原子 A-B-C
0
109.47 109.47 109.47
1.
2. 3. 4. 5.
6.
力场 (Force Field) 分子力学原理 (Principle of Molecular Mechanics, MM) 分子力学的应用 (Application of Molecular Mechanics) 分子动力学原理 (Principle of Molecular Dynamics, MD) 分子动力学计算 (Molecular Dynamics Simulation) 分子动力学的应用 (Application of Molecular Dynamics)
U HB A C 2 4 cos cos 12 10 r rH Acc H Acc
Vedani A., J. of Computational Chemistry 9, 269 (1988)
芳香环间 - 作用 - Interaction for aromatic rings
倾向形成共平面的 4 个原子: Csp2
U ( ) k 2
特殊的作用项
Special Interaction terms
氢键作用 H-bonding Interaction
A C U HB ( r ) 12 10 r r
12-10 potential
YETI 氢键作用
YETI H-bonding Interaction