分子动力学
近场动力学 分子动力学-概述说明以及解释
近场动力学分子动力学-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：近场动力学和分子动力学是两种具有重要意义的计算方法，用于研究原子和分子的运动及相互作用。
近场动力学是一种基于牛顿力学的方法，主要用于模拟宏观尺度下原子的运动和相互作用。
而分子动力学则是一种基于统计力学的方法，更适用于分子尺度下的运动和相互作用的研究。
本文将着重探讨近场动力学与分子动力学之间的联系与区别，以及它们在科学研究和工程领域中的应用与实践。
通过对这两种方法的深入理解，可以更好地揭示原子和分子之间的相互作用规律，为材料科学、生物科学等领域的研究提供有力支持。
1.2 文章结构文章结构部分，是对整篇文章的框架和组织方式进行介绍。
在这一部分中，通常会简要描述每个章节或部分的内容和重点。
以下是可能的一些内容:在本文中，将首先介绍近场动力学的基本概念和原理，包括与分子动力学的区别和联系。
接着将详细探讨分子动力学的基本原理和应用领域。
最后，将通过实际案例和研究成果，展示近场动力学和分子动力学在材料科学、生物医学等领域的应用与实践。
通过本文结构的安排，旨在加深读者对近场动力学和分子动力学的理解，以及它们在科学研究和应用中的重要性。
同时，也希望可以为未来关于这两个领域的研究提供一定的启示和方向。
1.3 目的近场动力学和分子动力学作为两种重要的物理学研究方法，各自在不同领域有着广泛的应用与发展。
本文的目的在于探讨近场动力学与分子动力学之间的关系，分析它们在理论和实践中的应用情况，深入挖掘它们在材料科学、生物医药等领域的潜在应用价值。
通过对近场动力学和分子动力学的比较和分析，我们旨在为相关领域的研究者提供一种新的思路和方法，促进科学研究的进步与发展。
同时，本文也旨在启发更多的科研人员关注近场动力学和分子动力学的结合应用，探索更多可能的研究领域，推动其在实际应用中的更广泛的推广和发展。
2.正文2.1 近场动力学近场动力学是一个重要的物理学概念，它主要研究在原子尺度上的相互作用和力场。
分子动力学
分子动力学
分子动力学（Molecular Dynamics）是运用统计物理学原理，通过计算来研究分子系统中
原子和分子的动态流变，从而对分子间相互作用及对引力法则、量子力学理论和其它物理定律的结果等进行模拟研究的仿真技术。
其基本思想是以细胞原理和迈克尔逊-普朗克动能作为模型基础，借助计算机，通过量子
化学方法理论研究分子在长时间运动中的结构性质及相互作用的力学行为，为原子间的交互作用和分子的动力学运动模拟，可以准确地描述原子性质和反应机理。
在复杂分子系统中，我们可以根据原子间相互作用潜力及其体积影响得出原子间劲度系数。
通过计算，实现分子动力学模拟。
一旦分子动力学模拟被成功应用于实际的物理或有机化学问题，就可以对模拟结果与实验结果进行比较。
将模拟结果与实验结果进行相比较与分析，我们可以更加深入地理解分子的性质。
此外，分子动力学技术还可以用在农业、医学、催化以及合成化学等领域之间。
例如，可以利用此技术来设计新型药物，通过调节抗病毒性和毒性等来减少药物副作用，可以研究加工作用，改进催化剂的性能，优化合成步骤，揭示有机体的生理活动等的究理。
总的来说，分子动力学是一个快速发展的模拟技术，可以模拟和解释小分子和蛋白质等大分子的结构和动态特性，以及丰富科学领域的多种新应用，可以说是一种十分重要的模型。
第四章 分子动力学
分子动力学与分子力学不同，它求解的是随时间变化的分子的状态、行为和过程。
分子动力学将原子看作为一连串的弹性球，原子在某一时刻由于运动而发生坐标变化。
在运动的任一瞬间，通过计算每个原子上的作用力和加速度，来测定它们的位置和运动速度。
由于一个原子的位置相对于其他原子的位置不断变化着，同时力也在变化，可用适当的力场方法，通过评价体系的能量，计算出任一特定原子的力。
分子动力学模拟可作瞬时的、通常为皮秒级（10-12s）的分析，由此模拟计算而获得以一定位置和速度存在的原子的运动轨迹。
计算中根据分子体系的大小、特点和要求来决定模拟时间的长短。
分子动力学方法是一通用的全局优化低能构象的方法。
用分子动力学模拟可使分子构象跨越较大的能垒，因此可以通过升温搜寻构象空间，势能的波动对应着分子构象的变化，当总能量出现最小值时，在常温下（300K）平衡，即可求得低能构象。
在常温下的分子动力学模拟需要很长的时间来克服能量势垒，因此分子动力学对分子构象空间的取样相当缓慢。
提高分子体系的温度，可加大样本分子构型空间的取样效率。
分子动力学计算中，常使用蒙特卡洛算法和模拟退火算法。
蒙特卡洛算法：是一种统计抽样方法。
其基本思想是在求解的空间中随机采样并计算目标函数，以在足够多的采样点中找到一个较高质量的最优解作为最终解。
在动力学计算全局优化低能构象时，以经验势函数随机抽样，不断抽取体系构象，使其逐渐趋于热力学平衡。
该方法需要大量采样才能得到较精确的结果，因此收敛速度较慢。
模拟退火算法：退火是将金属或其他固体材料加热至熔化后，再非常缓慢地冷却的过程。
缓慢冷却是为了凝固成规则的处于最稳态的坚硬晶体状态。
模拟退火算法用于分子动力学计算时，可有效地求得分子的全局优势构象。
过程为：先使体系升温，在高温下进行分子动力学模拟，使分子体系有足够的能量，克服柔性分子中存在的各种旋转能垒和顺反异构能垒，搜寻全部构象空间，在构象空间中选出一些能量相对极小的构象；然后逐渐降温，再进行分子动力学模拟，此时较高的能垒已无法越过，在极小化后去除能量较高的构象，最后可以得到相应的能量最小的优势构象。
分子动力学
经典运
预测矫正法
上式
分子动力学----牛顿运动方程的数值解法
预测矫正法
分子动力学----牛顿运动方程的数值解法
分子动力学----积分步长的选取
分子动力学----积分步长的选取
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，积分 步长就是抽样的间隔。
因此从实际的角度来讲，分子动力学适合研究反应或运动 时间小于1ns的体系，而不适合较慢的反应或运动。例如蛋白 质折叠在10-3s（1ms）级别,则需要非常长的时间。
分子动力学----分子动力计算流程
计算过程
计算过程
执行分子动力学计算时，将一定数目的分子放在一定形状的盒 子中，并使它的密度和实验密度相符合，再选定实验的温度， 即可以着手计算。
分子动力学----简化单位
分子动力学----简化单位
研究分子或原子系统时，如果采用国际单位制，原子质量以g 为单位，则通常的原子质量约为10-22g级别；若位置以cm为单 位，则通常的量纲为10-8cm；同样积分步长用s做单位通常在 10-13~10-16s。这些量纲非常小，实验中很容易引起误差，因此 实际计算时通常采用简化单位。
因为分子动力学计算的步长很短，每一步移动的距离也很小，
通常每隔10~20步存储一次来节省硬盘空间。
分子动力学----分子动力计算流程
计算过程
分子动力学中，最重要的工作为如何选取合适的积分步长，在 节省时间的同时也保证计算的精确性。
原则: 积分步长小于系统中最快运动周期的十分之一。 太长的步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短
分子动力学特点
分子动力学特点
1. 分子动力学是一种基于牛顿力学的计算方法，在分子尺度上模拟系统的运动行为。
2. 分子动力学可以模拟材料中分子、离子或者原子之间的相互作用，并可以通过控制温度、压力、密度等参数，来研究系统在不同条件下的性质。
3. 分子动力学可以考虑多种物理过程，如化学反应、热传导、扩散、分子动力等等。
4. 分子动力学具有高度的可视化性，可以通过将纯文本数据转化为图像来更好地理解和分析数据。
5. 分子动力学模拟需要大量的计算资源，包括计算能力强大的计算机、高昂的计算费用等。
6. 分子动力学的模拟结果能够验证或者预测实验结果，对科学研究与工业生产具有重要的意义。
分子动力学
系综的控温
系综的控温
温度调控机制可以使系统的温度维持在给定值，也可以根据外 界环境的温度使系统温度发生涨落。
一个合理的温控机制能够产生正确的统计系综，即调温后各粒 子位形发生的概率可以满足统计力学法则。
分子动力学----系综
系综的控温
Berendsen温控机制(Berendsen外部热浴法)
径向分布函数计算
分子动力学----计算结果分析
与时间有关的物理量计算
与时间有关的物理量计算
分子动力计算除了计算系统的平均值以外，最重要的是计算系 统的各种动态特性。
因此从实际的角度来讲，分子动力学适合研究反应或运动 时间小于1ns的体系，而不适合较慢的反应或运动。例如蛋白 质折叠在10-3s（1ms）级别,则需要非常长的时间。
分子动力学----分子动力计算流程
计算过程
计算过程
执行分子动力学计算时，将一定数目的分子放在一定形状的盒 子中，并使它的密度和实验密度相符合，再选定实验的温度， 即可以着手计算。
表示归一化的转动相关函数rotationalcorrelationfunction分子动力学计算结果分析与时间有关的物理量计算分子动力学计算结果分析与时间有关的物理量计算自由能的计算分子动力学计算结果分析自由能的计算根据统计力学分子体系的自由能可由下式计算自由能微扰fep方法对于生物大分子或溶液中的分子由于其柔性较大直接计算体系的自由能较为困难常用自由能微扰方法计算两状态的自由能差来代替绝对自由能计算
将上面两式相加得到：
分子动力学----牛顿运动方程的数值解法
Verlet法
如果两式相减，则可得到：
即可以由t+δt和t-δt的位置得到t时刻的速度. 需要连续记录两个时刻得位置。
分子动力学介绍
1、分子动力学简介：分子动力学方法是一种计算机模拟的实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。
该技术不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。
它是对理论计算和实验的有力补充。
广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。
经典MD模拟，其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子，模拟时间为纳秒量级。
分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述，这种描叙可以牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述，也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。
在忽略核子的量子效应和绝热近似（Born-Oppenheimer）下，分子动力学的这一种假设是可行的。
所谓绝热近似也就是要求在分子动力学过程中的每一瞬间电子都处于原子结构的基态。
要进行分子动力学模拟就必须知道原子间的相互作用势。
在分子动力学模拟中，我们一般采用经验势来代替原子间的相互作用势，如Lennard-Jones势、Mores势、EAM原子嵌入势、F-S多体势。
然而采用经验势必然丢失了局域电子结构之间存在的强相互作用的信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质。
2、分子模拟的三步法和大致分类三步法：第一步：建模。
包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。
初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。
第二步：过程。
这里就是体现所谓分子动力学特点的地方。
包括对运动方程的积分的有效算法。
对实际的过程的模拟算法。
关键是分清楚平衡和非平衡，静态和动态以及准静态情况。
第三步：分析。
这里是做学问的关键。
你需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征，说明你的问题的实质和结果。
因此关键是统计、平均、定义、计算。
比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。
大致分类：2.1电子模拟（量化计算，DFT）量子化学计算一般处理几个到几十个原子常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等密度泛函（DFT）可以算到上百个原子常见软件：V ASP2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）2.2.1分子级别的模拟以分子的运动为主要模拟对象。
什么是分子动力学
什么是分子动力学分子动力学（MD）是一门关于研究分子运动的多学科交叉学科，将物理，化学，生物学和计算机科学等专业知识紧密结合起来，来模拟分子层面的各种运动细节。
以下是对它的一些概述：1. 分子动力学概念：分子动力学（MD）是一种计算机模拟技术，能够模拟分子层面的各种运动细节，包括分子间的相互作用，如键合、剪切等。
它主要采用特定的系统预先计算的系统动能，通过有限的迭代来模拟估计出不断变化的坐标和动量，模拟出分子运动的过程。
2. 分子动力学应用：在分子动力学中，不仅可以模拟出分子运动，还可以模拟出材料性质及其变化，以及纳米尺度等复杂情况。
目前，很多材料科学领域已经能够使用分子动力学模拟技术，例如生物材料、化学材料、复合材料、纳米材料等。
3. 分子动力学算法：MD算法主要用来解决复杂的运动尺度问题，其主要原理是模拟分子的受力运动，从而模拟出系统的动力学行为和性质变化情况。
MD算法可以分成两大类：时间步长MD算法和可动步长MD算法。
4. 分子动力学原理：分子动力学依赖于一系列基本原理：１）物理中确定性原考：只要提供起始条件并知晓相关性质，就可以通过求解相关方程组来确定研究运动系统的行为特征；２）物理中热力学和统计力学原理：无论采用何种方法求解，模拟结果的最终精确程度都在一定程度上取决于热力学和统计力学理论；３）数值分析：分子运动细节和复杂系统本身均具有极高火候不容易求解，只能采用数值方法；４）计算机科学：MD算法依赖于系统模拟软件和计算机，以及合理的编程技术和算法。
5. 分子动力学的未来：随着计算机技术的不断进步，MD模拟能力也在不断提高。
MD模拟可以做到计算密度泛函理论成本极其低廉，而且不需要人工参数调整，这将有助于解决更多复杂的科学问题。
此外，MD技术也有可能应用于各种量子态动力学模型，以实现更高精度和更快的计算速度。
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1. 双温模型
以前课题组的双温模型主要描述了激光能量与材料相互作用的过程。
模型将电子和晶格分成两个压系统，分别描述其温度变化过程：
()），（t z -g -z k z t l e e e e e S T T T T C +⎪⎭
⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂ ）（l e l l l l -g z T k z -t T T T C +⎪⎭
⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂ )exp()1)((t z z R t I S αα--=），（
简化后得：
()），（t z -g -z k z t l e e e e e S T T T T C +⎪⎭
⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂ ）（l e l l -g t
T T T C =∂∂ )exp()]/)(2ln(4exp[ln(2)4/t z 0abs
z t t F S l l ααττπα---=），（
由于电子-电子和电子-晶格之间的热传导远快于晶格-晶格之间的热传导，所以超短激光作用下忽略方程中晶格之间热传导项。
导入I(t)激光强度（也就是能量源）表达式和激光能量密度与激光强度和脉冲宽度之间的关系式，简化后采用有限差分方法求解。
2. 分子动力学
经典分子动力学的核心就是解多体下的牛顿方程也就是粒子的运动方程，各粒子间作用力通过对势能函数求导得出：
i i i i -dt
dv m F E =∇= 通过对运动方程时间积分得到体系在相空间的分布，将运动方程离散化为有限差分方程：将时间离散化为有限大小的格点，相邻格点距离为时间步长t 。
用verlet 算法求解积分方程：
对原点位置r （t ）进行泰勒展开
2)(2/1)()()(r t t a t t V t r t t δδδ++=+
2)(2/1)(-)()-(r t t a t t V t r t t δδδ+=
上述两式相减可得：2)()-(r -)(2)(r t t a t t t r t t δδδ+=+
t
t t r t t r t V δδδ2)()()(--+=
所以在模拟中提供原子当前时刻t 以及前一时刻的位置,由i i -F E =∇
a=F/m ，可求出加速度a ，就可得到下一时刻的原子位置，结合下一时刻位置与前一时刻位置可求出当前时刻t 的速度，得到粒子的速度和位置统计其分布就可得到粒子的运动情况。
3. 结合双温模型与分子动力学
将双温方程中电子能量耦合到分子动力学中的运动方程上：施加一个速度均衡力。
t i i i 22i m dt
r d m V F ξ+= 4. 边界条件
模拟的体系总是有限大小的，而晶体的晶格是具有周期性的，所以采用周期性边界条件可以有效的节省模拟的计算量。
如下图，假设模拟的原子都包含在一个盒子中，这个盒子沿着空间三个不同的方向周期性的平移可以填充整个空间，当原子1移动到边界并穿越过去的时候，所有其镜像的原子都同样穿越了它们所在盒子的边界。
5. 现用能量加载方式
现在师兄是利用一个pka 原子入射到晶体中，和晶格点阵原子发生碰撞从而传递能量，所以只用赋予入射原子的速度和初始晶格位置，通过运动方程就可以知道粒子的运动状况。