分子动力学计算(武汉理工大学实验报告)
分子动力学模拟实验报告doc
分子动力学模拟实验报告篇一：分子动力学实验报告 md2分子动力学实验报告（ XX 至 XX 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：一、实验目的计算空位形成能和间隙原子形成能。
探究形成的空位和间隙原子所在的位置不同其形成能的变化。
以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形成能的变化。
二、实验原理点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物理和化学性质影响很大。
根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名如下：（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。
（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)置。
（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。
一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形成的热缺陷。
在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦克斯韦分布规律。
热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是在原来的平衡格点位置上留下空位。
根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。
点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观察。
而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶体性质的影响。
例如，通过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作用等方面展开间接的研究。
分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。
若我们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd口2_point（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。
分子动力学模拟与物理学计算
分子动力学模拟与物理学计算随着计算机技术的发展，分子动力学模拟和物理学计算已成为研究物质结构和性质的重要方法。
本文将简单介绍两种方法的基本原理和应用。
一、分子动力学模拟分子动力学模拟是利用牛顿力学和量子力学原理，通过计算分子间的相互作用和运动轨迹来模拟物质的结构和动力学行为的方法。
它是一种基于分子层面的物理学计算方法，可以模拟大分子的运动、液相和固相的相互作用、固体表面的化学反应等。
分子动力学模拟的基本思路是：将系统中的原子或分子看作质点，构建出系统的势能函数和受力方程，然后通过数值积分的方法来计算每个质点的位置和速度。
例如，对于气体分子的运动，可以通过统计力学的方法得到分子间的碰撞频率和速度分布，进而求解分子的平均速度、温度等性质。
分子动力学模拟也可以用来研究材料的物理性质和化学反应。
例如，可以用分子动力学模拟来研究DNA纳米线的结构和力学性质，以及钙离子在细胞膜中的扩散规律等。
此外，分子动力学模拟还可以模拟材料的加工过程，例如生长、热处理和机械加工等。
二、物理学计算物理学计算是一种基于物理原理的计算方法，用于研究各种物理现象和材料特性。
它主要应用于材料科学、化学、物理、生物等领域，可以模拟纳米材料、生命体系、表面反应、分子动力学等多种物理现象。
物理学计算主要包括量子化学计算、分子结构和动力学模拟、材料模拟和计算流体力学等。
其中，量子化学计算是利用量子力学的基本原理来计算分子和原子中电子的运动和相互作用的方法；分子结构和动力学模拟则是利用分子动力学模拟的思想来计算分子的结构和动力学行为的方法；材料模拟则是利用计算机模拟材料的物理、化学、力学、热学等特性的方法；计算流体力学则是利用数值方法对流体流动的特性进行计算的方法。
物理学计算在新材料的设计、工业生产和环境保护等方面发挥着重要作用。
例如，在新材料设计方面，可以通过物理学计算来预测新材料的性能，快速筛选出最有前途的材料，并进行实验验证；在环境保护和可持续发展方面，可以通过物理学计算来优化工业流程和减少排放，节省能源和材料，降低成本和污染。
基于分子动力学的常用力场算法及结果分析
基于分子动力学的常用力场算法及结果分析分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种用于模拟分子体系的计算方法。
它通过数值积分牛顿运动方程，在不同的时间步长上模拟分子系统中的粒子的运动轨迹，从而可以研究分子体系的结构、动态性质等。
在这个过程中，力场、算法和结果分析是MD模拟的三个重要方面。
常用力场：力场是描述粒子间相互作用的形式化数学模型。
传统的力场分为两类：力场拟合和量子力场。
力场拟合是通过拟合实验数据得到的经验势能函数。
常见的力场拟合方法有AMBER力场、CHARMM力场和GROMOS力场等。
而量子力场则是以量子力学理论为基础的理论方法，它通过求解电子结构问题进一步得到粒子的势能函数。
常见的量子力场有DFT力场（密度泛函理论力场）和Hartree-Fock力场等。
不同的力场适用于不同的体系和研究目的。
常用算法：MD模拟中常用的算法有Verlet算法、Leap-Frog算法和Velocity Verlet算法。
这些算法的核心思想都是利用牛顿力学中的数值积分方法对分子的运动方程进行求解。
Verlet算法通过使用离散时间点上的速度和位置信息来计算下一个时间点上的位置；Leap-Frog算法在计算速度和位置之间采用了半步的时间差；Velocity Verlet算法则在时间差计算上进一步改进了Leap-Frog算法，提高了计算精度。
此外，还有更高级的算法，如多时间步算法和并行计算等，以提高计算效率。
结果分析：MD模拟得到的结果可以通过多种方式进行分析。
最基本的分析方法是计算体系的物理性质，如能量、压力、温度等物理量的变化。
此外，还可以通过结构分析来研究分子体系的结构演变和特性。
结构分析常用的方法有径向分布函数分析、键长分析、键角分析等。
动力学性质的分析可以通过计算自相关函数、速度自由时间分布等来得到。
此外，模拟结果还可以通过与实验数据的对比来验证模拟的合理性，并根据实际问题选择合适的结果表达方式，如动画、图表等。
分子动力学结果分析
热力学性质
比热容的计算 在相变时 ， 比热容会呈现与温度相关的特征（对一级相变点 ， 比热容呈现无限大 ； 对二级相变点 ， 比热容呈现不连续变化） ， 因此监控比热容随温度的变化可以帮助探测到相变的发生。
NVT NPT
01
02
03
04
1 关联函数
动力学性质
自关联函数就是一个量对先前的值的记忆程度 ， 或者反过来说 ， 就是系统需要多长时间忘记先前的值。 一个简单例子是速度自关联函数意义就是０ 时刻的速度与时刻 t的速度关联程度。 一些关联函数可以通过系统内所有粒子求平均得到 ， 而另外一些关联函数是整个系统粒子的函 数。 速度自关联函数可以通过模拟过程对 N 个原子求平均得到 ， 即
pi 为质量 mi 粒子的总动量 ， N 为粒子总数 ， NC 为系统的受限制的自由度数目 ， 通常 NC＝ ３ 。
2
能 量 体系的热力学能可以很容易通过体系能量的系综平均得到 ， 即
压力通常通过虚功原理模拟得到。虚功定义为所有粒子坐标与作用在粒子上的力的乘积的和 ， 通常写为
式中 xi 为原子的坐标 ， 是动量沿坐标方向对时间的一阶导 数（根据牛顿定律 ， 为力） 。 虚功原理给出虚功等于 －３NkB T。
02
总结
如果单位体积的粒子数为 ρ ０ ， 则在半径 r到 r ＋ δr的球壳内的总粒子数为 ４πρ ０ r２δr ， 因此体积元中原子数随 r２变化。
Structural properties:
径向分布函数 g（r）是距离一个原子为 r时找到另一个原子的概率 ， g（r）是一个量纲为 １的量。 如果在半径 r到 r ＋ δr的球壳内的粒子数为 n（r） ， 由此可以得到径向分布函数 g（r）为
GPU加速分子动力学模拟的热力学量提取
（ 武汉理 工大 学 计 算机科 学与技 术 学院 ， 汉 ４ ０ ７ ） 武 ３ ０ ０ 摘 要 ：近年 来 ， 统一计 算设备 架构 （ Ｕ Ａ） Ｃ Ｄ 的提 出和 图形 处理 器（ Ｐ 快 速提 升 的并行 处理 能 力ห้องสมุดไป่ตู้数据 传输 Ｇ Ｕ）
能力， 使得 基 于 Ｃ Ｄ Ｕ Ａ的 Ｇ Ｕ通用计 算迅速成 为一 个研 究 热点 。针 对含 有 大规模 分 子动 力 学模拟 的 热 力学量 Ｐ
提 取 效 率 低 下 的 问题 ， 出 了分 子 动 力 学模 拟 的 热 力 学量 提 取 的 新 方 法 ， 用 Ｃ Ｄ 设 计 了并 行 算 法 ， 提 利 Ｕ Ａ 实现 了利
用 Ｇ Ｕ加速分 子动 力学模拟 的热 力 学 量提 取 。 实验 结 果表 明 ， 基 于 Ｃ Ｕ的 算 法相 比 ，Ｇ Ｕ 可 以提 高速 度 Ｐ 与 Ｐ Ｐ
数据缓存和指令流控制。Ｇ Ｕ特别适 合用来处 理单指令 多数 Ｐ 据流（ｉｇ ｓ ｕｔ ｎｍ ｌｐｅｄｔ，Ｉ Ｄ） ｓ ｌ ｉ ｔ ｃ ｏ ｕｔｌ ａ ＳＭ 任务 ， ｎ ｅｎ ｒ ｉ ｉ ａ 适用于算法密
集 、 度并 行 、 制 简单 、 多 个 阶段 执 行 且 吞 吐 量 比延迟 重要 高 控 分 的应 用 。 由于 Ｇ Ｕ是 专 门 为 图 形 图像 处 理 而 没计 的 硬 件 芯 Ｐ 片 ， 系结 构 较 Ｃ Ｕ大 大 简 化 ， 定 了其 在 数 据 流 处理 ［ 以 体 Ｐ 决 ＝ 可 获 得 较 高 的效 率 。最 新 的 Ｇ Ｕ 的浮 点 计 算 能 力 和 内存 带 宽 Ｐ 已经 大 大超 过 最 快 的 Ｃ Ｕ， 且 可 以进 行 大 规 模 的双 精 度 浮 点 Ｐ 并 数 并行 计 算 。一 个 类 Ｃ语 言 的 开 发 环境 — — 统 一 计 算 设 备架 构 （ｏ ｕｅ ｕ ｉｅ ｅｉ ｒｈｔ ｔｒ，Ｕ Ａ 技 术 的诞 生 开创 ｃｍｐｔ ｎｆ ｄｄｖ ｅａ ｉ ｃ ｅＣ Ｄ ） ｒ ｉ ｃ ｃ ｅｕ
分子动力学模拟实验报告doc
分子动力学模拟实验报告篇一：分子动力学实验报告 md2分子动力学实验报告（ XX 至 XX 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：一、实验目的计算空位形成能和间隙原子形成能。
探究形成的空位和间隙原子所在的位置不同其形成能的变化。
以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形成能的变化。
二、实验原理点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物理和化学性质影响很大。
根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名如下：（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。
（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)置。
（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。
一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形成的热缺陷。
在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦克斯韦分布规律。
热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是在原来的平衡格点位置上留下空位。
根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。
点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观察。
而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶体性质的影响。
例如，通过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作用等方面展开间接的研究。
分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。
若我们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd口2_point（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。
分子动力学计算
分子动力学计算分子动力学计算（MolecularDynamics，MD）是一种用于模拟分子系统动力学过程的计算技术。
它是20世纪70年代发展起来的，当时多位科学家对分子间的交互力和动力学过程进行了分子动力学研究，并建立起来了一种新的科学模型，即用于模拟分子间相互作用的称为Lennard-Jones势函数的函数，用于计算分子间的力和动力学过程。
从那时起，分子动力学计算就被认为是研究分子尺度物理化学过程的一种有效的方法。
简单来说，分子动力学计算是通过计算分子间的力和运动过程来模拟物理化学过程的。
在分子动力学计算中，将分子尺度研究所面临的问题看成了一个由多个粒子构成的分子系统，而这些粒子又由许多相互作用的分子构成。
将这个分子系统的时间发展看作是该系统强迫的状态变化，而这些强迫是由相互作用的分子产生的，因此，分子动力学计算的过程就是模拟如何由这些分子的动力学过程来影响分子系统的状态变化。
分子动力学计算的核心思想是将系统分为几个分子组成的分子集，每个分子集由若干原子或分子组成，然后利用模拟过程模拟分子间的相互作用力，建立分子间的动力学方程，结合时间发展，模拟系统的时间变化。
在实际的计算中，分子动力学计算的步骤主要分为：给定初始条件，比如温度、密度等；计算分子间的力、能量和动力学过程；计算系统的时间发展，模拟系统的动力学过程；利用动力学过程计算系统的结构和性质。
分子动力学计算作为一种模拟技术，在化学、物理和生物学研究中都有着重要的应用。
它可以用来模拟分子结构与属性之间的关系，模拟系统的可能状态变化，以及分子的形状、力学属性、活性表面性质等。
有了分子动力学计算，我们可以得到一些以前无法从实验中获得的结果，也可以提供一些有用的信息，比如材料活性表面的性质等，这都有助于我们更好地了解物理化学过程，实现更好的制备材料和制备新药物。
总的来说，分子动力学计算是一种有效的用于研究分子尺度物理化学过程的计算方法，它结合了力学、电子学、量子力学、统计物理学以及相关的数值方法，提供了大量的定量结果。
分子动力学中的分子运动
分子动力学中的分子运动分子动力学是计算物理学中的一种重要方法，它通过模拟分子的运动和相互作用来研究物质的性质和行为。
在这个模拟过程中，分子运动是非常关键的一个因素，它影响着物质的热力学性质、力学性质和电学性质等。
因此，我们有必要深入理解分子动力学中的分子运动。
原子和分子的运动状态原子和分子的运动状态可以由它们的速度、位移和角位置表述。
根据统计力学的理论，分子在温度为T时的动能是：K = (3/2)kT其中k为玻尔兹曼常数。
这个公式表明分子的动能与温度成正比，并且与分子的质量有关。
因此，当温度相同时，质量大的分子具有较小的动能，而质量小的分子则具有较大的动能。
另一方面，分子的位移可以用速度和时间来表述。
分子的运动轨迹是由其速度和位置的变化所决定的。
除了热力学作用外，分子间的相互作用也会影响它们的相对位置和运动轨迹。
分子的稳定性和不稳定性分子的稳定性取决于其内能和相互作用。
如果分子之间的相互吸引力能够抵消热力学作用引起的相互排斥，那么它们就可以保持较为稳定的状态。
相反，如果分子间的排斥力大于吸引力，那么它们就会变得不稳定。
当分子处于不稳定状态时，它们的动能会增加，而且它们的速度和位置也会变化。
这种运动状态被称为非平衡状态。
在分子动力学模拟中，研究非平衡态分子的运动是非常重要的，因为这可以帮助我们预测物质的热力学性质。
分子运动与热传导分子运动对热传导也有着很大的影响。
热传导是分子间能量转移的一种形式。
在分子动力学模拟中，我们可以通过研究分子的速度和位置变化来模拟热传导过程。
热传导的速率可以通过热传导系数来计算。
热传导系数与分子间的相互作用以及它们的质量和速度有关。
通常情况下，质量越小的分子对热传导的贡献越大，速度越快的分子对热传导的贡献也越大。
分子运动与物质的相变分子运动对物质的相变也有着很大的影响。
相变是物质在不同温度、压力、密度等条件下从一种状态转化为另一种状态的过程。
在分子动力学模拟中，我们可以通过研究分子的速度和位置变化来模拟物质的相变过程。
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点击 More...按钮。
在 CASTEP Transition State Search 对话框中，确保Search protocol 被设置为 Complete LST/QST， Quality 被设置为 Medium。
关闭CASTEP Transition State Search 对话框。
确保其余设置与执行时几何结构优化计算时相同。
选择 Job Control 选项卡，确保 Automatic 复选框未被选中，输入 TS 作为Job description。
点击 Run 按钮，关闭 CASTEP Calculation 对话框。
确保TS.xsd 为活动文档，在工具栏上点击CASTEP 按钮，然后选择Analysis，或者从菜单栏选择 Modules | CASTEP | Analysis。
从 CASTEP Analysis 对话框顶部列表中选择 Energy evolution，点击 View。
一个包括过渡态搜索历史的图表文件 TS CASTEP TSSearch\TS TSSearch.xcd 显示出来。
从工具栏选择Chart Viewer Selection Mode 工具，双击 TS.xtd。
点击图上的不同点，以查看轨迹文件中相应的结构。
第二部分：实验调试与结果分析
三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）
1.建立气体H2模型。
为使缩放过程明显，将H-H键长设为0.8埃
Calculation中设置如下，模拟结构中原子在计算力影响下的移动
2.（1）输入 Pd 金属的晶体结构
（2）修改结构，参数设置如下：
（3）劈开表面
（4）移除出现在晶胞顶部的底层原子的对称图象
（5）创建reactant文件
（6）添加a=0.56, b=0.47, c=0.70的H1和a=0.47, b=0.56, c=0.70的H2原子到Pd表面。
束缚Pd原子
（7）在products中改变两个H原子的坐标，并使每个H原子键合一个Pd原子
（8）优化几何形态，设置如下
优化后两原子文档如下
（9）对products和reactants的优化结构中的原子进行配对（第一张为失败时截图）
初始无匹配
Auto Find后对对应的原子set match, 使两个文档中所有原子配对
（10）配对后Preview,事先确保number of frame值为10，得reactants-products.xtd轨迹文件
（11）使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构。
设置截图如下
得TS.xsd文档。
对此文档进行Analysis,选择Energy evolution,点击view, 得TS.xtd及TS TSSeaarch.xcd图表文件。
点击图上不同点可查看轨迹文件中相应结构。
四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、
综合分析和结论等）
1.在TS.CASTEP中搜索Transition State Found,结果如下
得（1）反应能量：0.06565eV
（2）来自反应物的能垒：0.03465eV
（3）来自产物的能垒：-0.03100eV
2.点击TS Search图中不同点，可在TS.xtd中查看相应结构
通过TS Search亦可得出反应活化能（起始点至反应峰顶）：
=-4815.97-（-4819.59）=3.62eV
E
a
五．思考题
1、反应势垒是什么？
答：物质在发生化学反应时，需要先破坏原有的化学键，这样就需要一定的能量，这个能量称之为化学势垒
2、研究和了解反应的过渡态有什么意义？
答：反应的过渡态：在反应物相互接近的反应进程中，出现一个能量比反应物与生成物均高的势能最高点，此势能最高点相对应的结构称为过渡态。
过渡态被认为是化学反应路径中所要经历的一个中间结构，极不稳定。
意义：研究和了解反应的过渡态可以认识化学反应的速率与分子结构的关系，可以形象了解基元反应的进程，，可以了解一个化学反应的进行过程。