分子模拟
高分子材料的分子模拟研究及其应用
高分子材料的分子模拟研究及其应用高分子材料是一类特殊的材料，由于它的特殊性质，近年来受到了越来越广泛的关注。
高分子材料的应用领域也变得越来越广，例如塑料、纤维、涂料、胶粘剂以及医用材料等。
分子模拟技术在高分子材料研究领域的应用也越来越受到重视。
高分子材料的分子模拟研究是利用计算机模拟来预测高分子材料的性质和行为，从而为实验室的研究提供理论依据。
分子模拟主要涉及分子动力学模拟和量子化学计算两种方法。
分子动力学模拟可以模拟高分子材料的结构和动力学行为，从而得到高分子的力学性质、热力学性质和功能性质等方面的信息。
由于高分子材料的分子量较大，所以在模拟时需要将高分子体系划分成较小的模块，并考虑模块间相互作用的影响。
这种方法需要在计算机上构建原子模型，并使用数值模拟的方法来检验。
分子动力学模拟的优点是可以模拟高分子材料的宏观特性，例如熔化、流变和聚合等行为，而且可以更加有效的预测高分子材料的性能。
量子化学计算则是通过分子结构、相互作用、电填充状态和振动热等分子属性来计算分子力学和电学性质。
相较于分子动力学模拟方法，量子化学计算方法更加精确。
这种方法需要考虑单个分子的量子化学特性。
由于聚合物的量子化学特性较为复杂，所以通过量子化学计算来得到这些复杂物质的性质较为困难。
由于量子化学计算方法更加精确，它被广泛地应用于原子材料、小分子化学品和有机分子合成等领域中，增强了对这些材料的理解。
高分子材料的分子模拟研究可以预测高分子材料的结构和性质，并为高分子材料的设计和开发提供重要的理论帮助。
例如在材料选择方面，分子模拟可以确定分子之间的相互作用，并预测材料的力学性质和透明性等。
在高分子材料的应用研究方面，分子模拟可以模拟高分子材料在不同环境下的性质，例如在高温、高压和磁场等条件下的行为，从而提高高分子材料的功能性。
此外，分子模拟也可以在制备新材料时发挥重要的作用，例如通过分子动力学模拟来指导聚合物的合成。
在高分子材料研究中，分子模拟技术的应用以及得到的相应结果十分有价值。
经典分子动力学模拟的主要技术
经典分子动力学模拟的主要技术经典分子动力学模拟是一种重要的计算化学方法，用于研究分子体系的动态行为。
它基于牛顿力学原理，通过数值积分来模拟分子的运动轨迹。
下面是关于经典分子动力学模拟的十个主要技术：1. 势能函数：经典分子动力学模拟需要使用一个描述分子相互作用的势能函数。
常见的势能函数包括分子力场和量子力场。
分子力场通常基于经验参数，可以计算分子内部键的强度和角度，以及分子间的相互作用。
量子力场则基于量子力学原理，可以更准确地描述分子的电子结构和化学反应。
2. 初始构型：在分子动力学模拟中，需要给定初始构型，即分子的原子坐标和速度。
可以通过实验测量或者计算得到初始构型。
常见的计算方法包括分子力学优化和分子动力学预热。
3. 数值积分算法：分子动力学模拟需要将牛顿运动方程进行数值积分，以求解分子的轨迹。
常见的数值积分算法包括Verlet算法、Leapfrog算法和Euler算法等。
这些算法根据不同的需求和精度要求选择。
4. 边界条件：分子动力学模拟通常需要设置边界条件，以模拟分子在有限空间中的运动。
常见的边界条件包括周期性边界条件、壁限制条件和自由边界条件等。
5. 温度控制：在分子动力学模拟中，需要控制系统的温度，以模拟实际物理系统的温度。
常见的温度控制方法包括确定性算法和随机算法。
确定性算法通过调整粒子速度来控制温度，而随机算法则引入随机力来模拟温度效应。
6. 时间步长：分子动力学模拟需要选择合适的时间步长，以控制数值积分的精度和计算效率。
时间步长过大会导致数值不稳定，而时间步长过小则会增加计算成本。
7. 模拟时间：分子动力学模拟需要选择合适的模拟时间，以模拟分子系统的动态行为。
模拟时间的选择应考虑到模拟的目的和计算资源的限制。
8. 并行计算：由于分子动力学模拟涉及大量的计算和数据处理，常常需要使用并行计算来提高计算效率。
常见的并行计算技术包括MPI和OpenMP等。
9. 分析方法：分子动力学模拟生成的数据需要进行分析和解释。
分子模拟与分子动力学简介
➢ 为增加精度，一些力场对氢键定义了专门的 势函数，有一些力场还增加了交叉项。
力场
➢ 力场 = 解析式+参数 ➢ 力场具有可移植性 ➢ 力场可以较准确地预测其用来进行参数化
的性质，其他性质的预测可能不准确 ➢ 力场是经验性的，精度和速度的折中
模型参数的获得
➢ 通过量子化学模拟回归得到 ➢ 点电荷 ➢ 范德华力 ➢ 键伸缩、键弯曲、键扭曲
并行计算的主要矛盾
➢ 并行效率
完美的并行效率
需要1小时
需要1/2小时
➢ 处理器的速度远远超过数据传输的速度，大量的时间花在 处理器之间的信息传递上了
➢ CPU的速度几乎是几何级数增长 ➢ 内存的速度是代数级数增长
➢ 加快数据传输，尽量减少花在数据传输上的时间
➢ 数据传输硬件上的进步 ➢ 算法上做文章
➢ 缺点 ➢ 维护差
/~sjplimp/lammps.html
DL-POLY
➢ 一般性分子模拟软件
➢ 优点 ➢ 界面友好 ➢ 计算效率高（有两个版本供选择，适合于不同大小的体系） ➢ 维护服务很好
➢ 缺点 ➢ 兼容性不好 ➢ 100英镑
/msi/software/DL_POLY/
Oh boy! What a perfect match
分子对接的目的
找到底物分子和受体分 子见的最佳结合位置
关注的问题
如何找到最佳的结合位 置
如何确定对接分子间的结 合强度
优化
结合自由能
分子对接的基本原理
配体与受体的结合强度取决于结合的自由能变化 △G结合 = △H结合 – T △S结合 = -RT ln Ki
大部分的分子对接法忽略了全部的熵效应，而在焓 效应也只考虑配体与受体的相互作用能，即：
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。
分子模拟第二章
1
坐标体系（Coordinate systems）
笛卡尔坐标（Cartesian coordinates）
即用原子的xyz值来表征分子构型。
如：甲烷分子的笛卡尔坐标表示法
C1 H2 H3 H4 H5 -2.8116 -2.4550 -2.4549 -2.4549 -4.7083 3.2611 2.2523 3.7655 3.7655 2.7550 0.0000 0.0000 0.8737 -0.8737 0.8727
利用牛顿力学原理,通过解力学方程,得到分子 体系的运动轨迹,从而研究分子体系的能量和各 种性质.由于使用的势函数和参数都是有经验和 实验值拟合获得,故亦称经验力场方法 (Empirical force field method ). 分子力学方法的建立和正确使用在于它的背景和 若干假设.
12
分子力学应用背景
•
为相因子（phase factor），
29
指单键旋转通过能量极小值时二面角的数值。
分子力学的势函数形式
扭曲势的三项展开式：
V(ω)=(1+cosω) +(1-cos2ω)+ (1+cos3ω) 在MM2立场中，对此的物理解释为: • 一倍项对应于键偶极子间的相互作用，因成键原子间的电负性 不同产生； • 二倍项是由于超共轭作用（烷烃CnH2n+2）和共轭作用（在烯烃 CnH2n）。 • 三倍项对应于在1，4原子间的相互作用。 对含有四原子的体系，扭曲势中的附加项特别重要，例如卤代的 碳氢化合物和含有CCOC和CCNC片段的分子。
不同的力场可以有相同的函数形式，但不同的参数。 不同力场的参数（即使是描述相同对象）不能混用。 力场的参数具有力场内部的可移植性
分子动力学模拟
分子动力学模拟分子动力学模拟是一种重要的计算方法，用来研究分子体系的运动和相互作用。
该方法基于牛顿力学和统计力学的原理，通过数值模拟来预测和描述分子在不同条件下的行为。
在分子动力学模拟中，通过计算每个分子的受力和相互作用，可以得到关于分子位置、速度和能量等物理量的时间演化。
这些信息可以被用来研究分子体系的动力学、热力学和结构性质等。
为了进行分子动力学模拟，需要确定分子的力场和初始状态。
力场是一组描述分子分子间相互作用的数学函数，包括键的强度、键角的刚度、电荷分布等。
初始状态则是给定分子的初始位置和速度。
在分子动力学模拟中，分子受到的力主要来自于势能函数的梯度。
通过运用牛顿运动方程，可以计算得到每个分子的加速度，并进一步更新位置和速度。
这个过程重复进行，直到达到所需的模拟时间。
分子动力学模拟可以用来研究各种不同类型的分子体系。
例如，可以模拟液体中分子的运动和结构，以研究其流变性质和相变行为。
还可以模拟气体中分子的运动和相互作用，以研究化学反应和传输过程。
此外，分子动力学模拟还可以用来研究固体材料的力学性质和热导率等。
通过模拟材料内部原子的动力学行为，可以计算材料的弹性模量、杨氏模量等力学性质。
同时，还可以计算材料的热导率，从而了解其热传导性能。
分子动力学模拟已经成为了许多领域的重要工具。
它在材料科学、生物科学、化学工程和环境科学等领域中都得到了广泛应用。
通过模拟和理解分子体系的行为，我们可以更好地设计新材料、药物和催化剂，以及解决各种科学和工程问题。
然而，分子动力学模拟也有一些局限性。
首先，模拟的时间尺度受到限制，通常只能模拟纳秒或微秒级别的时间。
其次，模拟的精度也受到一定的限制，特别是在处理量子效应和极化效应等方面。
为了克服这些限制，研究人员正在发展和改进分子动力学模拟的方法。
例如，开发更精确的势能函数和更高效的计算算法，可以提高模拟的时间尺度和精度。
同时，与实验相结合，通过验证和修正模型，也可以提高模拟的可靠性和预测能力。
分子模拟实验报告分子光谱模拟
分子模拟实验报告分子光谱模拟分子光谱模拟实验报告摘要：本实验采用分子模拟的方法，通过计算机模拟的手段，研究了分子光谱。
通过构建分子模型、选择适当的计算方法和参数，得到了分子的能级结构和光谱。
实验结果表明，分子模拟可以较好地模拟分子的能级和光谱。
这种方法可以为分子光谱的研究提供一种新的途径。
1.引言分子光谱是研究分子内部能级和分子结构的重要手段。
传统的实验方法繁琐且成本较高，分子模拟则是一种新的研究手段，可以通过计算机模拟的方法得到分子的能级结构和光谱。
本实验旨在通过分子模拟的方法，研究分子的光谱现象，并探讨模拟方法的准确性和适用性。
2.实验方法2.1分子模型的构建2.2计算方法和参数的选择选择适当的计算方法和参数对于分子模拟的准确性和有效性具有重要意义。
本次实验采用量子力学方法进行计算，选择了Hartree-Fock方法作为计算方法，并设置了合适的收敛阈值和基组。
2.3能级结构的计算通过计算机程序，对构建的分子模型进行能级结构的计算。
通过求解Schrödinger方程，可以得到分子的不同能级及其能量。
2.4光谱的模拟在能级结构的基础上，模拟分子的光谱现象。
根据波长、频率和吸收强度的关系，得到分子的吸收光谱图和发射光谱图。
3.实验结果与分析3.1能级结构的计算结果通过计算机程序，得到了水分子的能级结构。
结果显示，水分子的基态电子能级为X^1A1，第一激发态能级为A^1B1、各能级的能量差异较小，符合分子光谱的特点。
3.2光谱的模拟结果根据能级结构，模拟了水分子的吸收光谱和发射光谱。
吸收光谱图显示，在不同波长范围内，水分子的吸收强度存在明显的吸收峰，这与实验观测结果一致。
发射光谱图显示，水分子在受激条件下会发出特定波长的光，这也符合实验观测结果。
4.结论通过分子模拟实验，我们成功地模拟了水分子的能级结构和光谱现象。
实验结果表明，分子模拟可以较好地模拟分子的能级和光谱，为分子光谱的研究提供了一种新的途径。
化学分子动力学模拟的原理和应用
化学分子动力学模拟的原理和应用随着计算机技术的不断发展和进步，分子模拟技术在化学、物理、生物等学科中得到了广泛的应用，其中分子动力学模拟是其中比较重要的一种方法。
分子动力学模拟是一种数值模拟技术，利用分子动力学方程模拟分子之间的相互作用和运动规律，从而揭示分子的结构、性质、运动和相互作用等，能够对活性物质的设计与评价起到重要的作用。
一、分子动力学模拟的原理分子动力学模拟是一种基于牛顿力学的方法，它使用运动方程来描述在各种外部场下，分子的运动轨迹。
既反映了分子中各个原子之间的相互作用，也体现了整个系统的运动规律。
简单来说，分子动力学模拟是在已知原子间作用势和运动方程的条件下，以数值方法计算分子的运动和结构的方法。
分子动力学模拟的基本步骤分为以下几部分：1、布朗运动模拟模拟分子在溶液中的布朗运动，通过计算分子的位置和速度之间的关系，可以得出分子受到的作用力。
2、势函数计算计算分子所受到的各个势函数，如位能、马德隆势等。
3、运动方程求解根据分子所受到的力以及它们相互之间的运动规律，求解运动方程，对数值解得出各点的位置和速度。
4、相互作用计算对于每两个相互作用的粒子，根据其位置和速度计算出与一点位置的距离，再代入相互作用的势函数，最后计算出所有相互作用的和。
5、轨迹预测根据初始条件以及数学模型，预测出分子的轨迹和状态，最后得出分子的结构、动力学和热力学等性质。
二、分子动力学模拟的应用分子动力学模拟的应用十分广泛，不同领域有所不同的应用。
下面列举出几个典型的应用场景。
1、药物发现在新药研发过程中，研究分子相互作用和分子构象改变等问题十分重要。
使用分子动力学模拟，可以得到分子的能量、熵、电荷分布等信息，为药物设计和评价提供依据。
2、材料开发分子动力学模拟可以用于模拟材料的力学性能、热导性能和光学性能等。
例如，可以用此模拟在不同应力下的金属疲劳，探究其疲劳机理。
3、化学反应机理在化学反应中，可以使用分子动力学模拟来研究各个物种之间的反应，从而探讨反应的机理。
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Experimental Program
Discover Module + Free Volume Theory
Glass Transition Ttemperature Radial distribution function & Diffusion coefficient Fractional free volume
刚性对接 刚性对接：配体受体均为刚性
半柔性对接
柔性对接 柔性对接：配体受体均为柔性
Molecular Docking
CDOCKER是基于CHARMm力场的精准的分子对接技术（半柔性对接） 准备受体，定义 活性位点 高温动力学产生 小分子构象集
平移配体中心产生构象 集，是否低于能量阀值 模拟退火，优化结合构象 计算相互作用能 打分，结果分析
Nanchang University
浅谈Molecular Simulation Technology：
Materials Studio and Discovery Studio
2016-12-19
Instroduction：Discovery Studio
1. PC上拥有全新的分子建模环境，专业的生命科学分子模拟软件。
Forcite Module
Atom, Volumes and Suarfce Module
径向分布函数：共混体系中组分分子链之间的C-C原子对的径向分布函数能够表征 共混体系的相容性，径向分布函数越大，相容性越好。 自由体积：聚合物体积由高分子占有体积与未被高分子占有的以“空穴”形式存在 的自由体积所组成。自由体积提供了必要的活动空间和分子扩散的空间。
Abbreviations: β-CD, β-Cyclodextrin; Theor, theoretical value
Fox equation:
1/Tg12 = w1/Tg1 + w2/Tg2
w1Tg1 Kw2Tg 2 w1 Kw2
Gordon-Taylor equation: Tg12
2.以生物大分子（蛋白、核酸、多糖）和有机小分子为研究对象， 应用学科涵盖生命科学、药物化学等领域。
3.功能：分子对接、药效团、片段设计、QSAR、ADMET、虚拟
组合库、分子动力学、同源建模、蛋白对接、蛋白设计等。
4.算法：LigandFit、CDOCKER、HypoGen、HipHop、Ligandscout、 LUDI、Breed、MODELER、ZDOCK、CHRMm等。 5.支持Windows和Linux系统。
A
B
C
D
Conclusion
DS与MS
1、是一门新型研究手段 2、佐证实验的结果
3、能从分子水平上直观的解释实验结果
4、能预测实验的结果
5、能使文章水平锦上添花
所有原子运动都遵循经典牛顿力学方程
Molecular Dynamics
分子动力学的认识
从微观结构出发解释实验现象
分子动力学的作用 分子动力学的应用领域
从微观结构出发预测新型材料
Molecular Dynamics
分子动力学的认识 分子动力学的作用 分子动力学的应用领域
Experimental Program
Figure 1.
Simulated amorphous cells of β -cyclodextrin containing (a) 0% (b) 3% (c) 5% and (d) 10% w/w water; water molecules are shown in red, and β -cyclodextrin molecules are shown in green
DS 操作界面
Molecular Docking
分子对接就是两个或多个分子之间通过几何匹配和能量匹配而相互识别的 过程，它是把配体分子放在受体活性位点的位置，然后按照几何互补、能量互 补和化学环境互补的原则来实时评价配体与受体相互作用的优良，并找到两个 分子之间最佳的结合模式。
锁钥模型
诱导契合模型
Experimental Results
Table 1. Comparison of glass transition temperatures for β -CD/H2O binary system
Tg (K)
Water content (% w/w) 0 3.0 5.0 10.0 Molecular dynamics 334.25 325.12 317.32 305.41 Theor (G−T) 323.52 314.14 308.54 294.73 Theor (Fox) 323.15 309.89 301.73 283.07
于服务器端，支持的系统包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。
MS 操作界面
Molecular Dynamics
分子动力学的认识 分子动力学的作用 分子动力学的应用领域
Molecular Dynamics (MD) 一套结合物理，数学和化学的分子模拟方法。
Instruction：Materials Studio
1.Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在 PC上的
模拟软件。
2.多种先进算法的综合应用使MS成为一个强大的模拟工具。无论构型优化、 性质预测和X射线衍射分析，还是复杂的动力学模拟和量子力学计算。 3.模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等 材料和化学研究领域的主要课题。 4. 计算模块（如 Discover，Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP 等）运行
PPO-Apigenin
Xiong Z, Liu W, Zhou L, et al. Mushroom (Agaricus bisporus) polyphenoloxidase inhibited by apigenin: Multi-spectroscopic analyses and computational docking simulation[J]. Food chemistry, 2016, 203: 430-439.
PPO-Apigenin Interaction
Apigenin interacted with various
amino acid residues including His61, His85, His244, His259, Asn260, His263, Phe264, Met280, Gly281, Ser282, Val283, Ala286 and Phe292.
Zhou G, Zhao T, Wan J, et al. Predict the glass transition temperature and plasticization of βcyclodextrin/water binary system by molecular dynamics simulation[J]. Carbohydrate research, 2015, 401: 89-95.
物理、化学、生物、材料等
分子动力学原理
初始位置 和速度
力场
势能函数
求导
牛顿运动 方程
求解
第二次位 置和速度
N
运动轨迹
统计力学
热力学性质 和宏观量
分子动力学步骤
获取单体结构 构建聚合物
搭建模型
退火 动力学平衡 动力学模拟 结果分析
使结构更趋于合理
1、使结构更趋于合理 2、消除控温方式的影响
Байду номын сангаас
Background
β -cyclodextrin containing 10% w/w H2O
Energy minimized structure of β cyclodextrin containing 10% w/w H2O
β -cyclodextrin and H2O
hydrogen bonding (blue dotted bonds)