分子动力学
化学反应动力学与分子动力学
化学反应动力学与分子动力学化学反应动力学与分子动力学是研究化学反应速率和反应机理的关键领域。
通过这两个学科，我们可以更好地了解化学反应发生的原因、速率和方式，帮助我们探索自然界中的化学变化。
一、化学反应动力学化学反应动力学研究的是化学反应的速率及其影响因素。
它主要关注反应速率与反应物浓度、温度、压力和催化剂等因素之间的关系。
化学反应速率的测定可以通过观察反应物消耗或生成物增加的速度来进行。
反应速率可以通过速率常数来描述，速率常数即反应物浓度单位时间内减少或生成物浓度单位时间内增加的比例系数。
化学反应速率可以用速率方程来表示，速率方程中的指数表示了反应物浓度对反应速率的影响。
化学反应动力学的研究使我们能够更好地理解化学反应的机理，从而有助于改进反应条件，提高化学工艺的效率。
二、分子动力学分子动力学研究的是分子在宏观尺度上的运动和反应。
通过模拟和分析分子之间的相互作用，我们可以了解分子之间的碰撞和反应过程。
在分子动力学模拟中，我们通过求解牛顿运动方程来预测和描述分子的运动。
这些方程基于分子间的相互作用力和动量守恒原理。
通过这种方法，我们可以模拟和预测分子在特定条件下的运动状态和反应行为。
分子动力学不仅能够帮助我们理解分子间的相互作用和反应机理，还可以用于研究纳米颗粒的性质、化学反应的速率和反应路径等。
三、化学反应动力学与分子动力学的联系与应用化学反应动力学和分子动力学是密切相关的学科，二者相互联系、相互补充。
化学反应动力学研究了反应速率的宏观表现，而分子动力学则从微观角度解释了反应速率的原因和机制。
通过将两个学科结合起来，我们可以更全面地理解化学反应的本质。
化学反应动力学提供了实验数据和速率方程，而分子动力学则提供了分子层面的详细信息和验证。
在实际应用中，化学反应动力学和分子动力学可以用于设计和优化催化剂、预测化学反应的产物分布以及改进化学合成等。
总结：化学反应动力学和分子动力学是研究化学反应速率和反应机理的关键学科。
分子动力学模型
分子动力学模型
分子动力学模型是一种用于模拟分子运动和相互作用的计算方法。
它基于牛顿力学原理，通过求解一组运动方程来预测分子体系的动态行为。
分子动力学模型的核心是对体系中每个原子或分子的位置、速度和加速度进行数值计算。
这些原子或分子被视为具有质量和相互作用力的粒子，它们之间通过化学键、范德华力或其他相互作用相互影响。
在分子动力学模拟中，首先需要构建一个分子体系的模型，包括定义原子的类型、坐标和初始速度。
然后，根据牛顿运动定律和相互作用势，通过数值方法求解运动方程，计算每个原子或分子在不同时间点的位置和速度。
分子动力学模型可以用于研究各种物理现象和过程，如物质的结构、热力学性质、扩散、反应动力学等。
它提供了一种在原子和分子尺度上理解和预测物质行为的工具。
为了提高计算效率和准确性，分子动力学模型通常会使用一些技术和方法，如周期性边界条件、截断半径、加速算法等。
此外，还可以结合其他计算方法，如量子化学计算、蒙特卡洛模拟等，来获取更全面和深入的信息。
分子动力学模型在材料科学、化学、生物学等领域有着广泛的应用，对于研究分子结构、性质和反应机制等方面具有重要的意义。
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。
moe分子动力学
"Molecular Dynamics"（分子动力学）是一种计算方法，用于模拟分子系统中原子或分子的运动和相互作用。
这种方法基于牛顿力学原理，通过数值模拟粒子之间的相互作用和运动，可以模拟出分子在不同条件下的行为和性质。
"Molecular Dynamics" 方法广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域，可以用来研究分子的结构、动态行为、热力学性质等。
这种方法可以提供有关分子在时间和空间尺度上的详细信息，帮助科学家理解和预测分子系统的性质和行为。
MOE（Molecular Operating Environment）是一个分子建模和模拟的集成软件平台，它提供了丰富的工具和功能，用于进行分子模拟、药物设计、生物分析等。
在MOE中，你可以使用分子动力学模拟方法来研究分子的运动、相互作用和性质。
分子动力学模拟可以在不同的时间尺度上进行，从纳秒到微秒甚至更长的时间尺度。
通过在计算机上模拟分子系统的运动，科学家可以深入了解分子的行为和性质，从而为材料设计、药物研发、生物分析等领域提供重要信息。
物理化学中的分子动力学
物理化学中的分子动力学分子动力学是物理化学中的一个重要分支。
它主要研究分子中的原子和分子的运动规律、结构演变及其与宏观性质的关系。
分子动力学模拟是一种计算机模拟技术，它借助于数值计算方法，用分子间相互作用力对分子进行模拟，从而得出系统的结构和性质变化。
分子动力学模拟的基础分子动力学模拟的基础包括分子相互作用力和数值模拟方法。
分子相互作用力是分子动力学模拟的基础。
分子之间的相互作用力受到两大类力的影响：静电相互作用和范德瓦尔斯相互作用。
静电相互作用来源于分子中带电粒子之间的相互作用。
这种相互作用力随着距离的增加而呈现出一种反比例关系，即当距离越远时力越弱。
静电相互作用力对于带电粒子之间的相互作用是不可或缺的。
范德瓦尔斯相互作用是指分子中非极性分子之间的吸引力。
它是由于电子云激发的瞬间偶极矩而引起的相互作用力。
它随着距离的减小而呈指数增加的关系，因此对于非极性分子之间的相互作用是十分重要的。
分子动力学数值模拟方法包括了计算力学数值计算方法、统计热力学等方法。
通过这些方法，可以将分子间相互作用力转化为微分方程，求解方程，得到分子结构和性质的演化规律。
分子动力学模拟的应用分子动力学模拟的应用范围非常广泛，其中最为重要的应用就是在材料科学中的应用。
在材料科学中，分子动力学模拟可以用于研究大分子材料、复合材料、金属材料、无机材料等的结构演化和性质变化规律。
例如，分子动力学模拟可以模拟药物分子与蛋白质分子之间的相互作用，研究药物的生物活性和治疗效果。
此外，分子动力学模拟还可以用于优化纳米材料的结构和性质，研究材料的稳定性和力学性能等。
分子动力学模拟还可以用于研究生物分子结构和功能。
例如，在蛋白质研究中，分子动力学模拟可以模拟蛋白质结构的变化和蛋白质与其他分子之间的相互作用，从而解释蛋白质分子在生物体内的功能和生物学过程。
总结分子动力学模拟是物理化学中的一个重要分支，它可以用于研究分子中的原子和分子的运动规律、结构演变及其与宏观性质的关系。
分子动力学中的反应动力学
分子动力学中的反应动力学分子动力学是一种研究分子在行为和反应中的运动方式的计算机模拟方法。
分子动力学可以在原子尺度上表示分子的动力学。
在分子动力学中，各种类型的分子之间相互作用的能量可以被计算，从而可以研究分子在不同条件下的性质。
反应动力学是研究化学反应速率和反应机制的学科。
在反应动力学中，可以研究反应的速率、反应进程中出现的中间体和过渡态，以及不同化学反应之间的区别。
分子动力学可以和反应动力学结合使用，通过模拟分子在反应过程中的运动来研究反应的速率和过程。
分子动力学中的反应动力学包括了许多方面的研究，例如：反应速率常数、反应机理、反应路径、反应过渡态等。
反应速率常数是指反应速率和反应物浓度之间的关系，它是反应动力学中最基本的一个参数。
反应速率常数可以通过实验方法获得，也可以通过计算来预测。
分子动力学可以用来计算反应速率常数，这需要使用到各种类型的分子之间相互作用的能量数据和分子间距的数据。
通过模拟分子之间的运动来计算反应速率常数，可以使反应动力学研究更精确和高效。
反应机理是指反应中发生的各种分子间的作用和反应过程，通常包括多个反应步骤。
了解反应机理对于预测反应速率和选择最优反应条件非常重要。
分子动力学可以用来揭示反应机理，通过模拟反应中各个分子之间的相互作用，可以研究得到反应的各个中间体和过渡态，从而了解反应机理。
反应路径是指反应从反应物至产物的过程。
在分子动力学中，可以跟踪每个原子的运动路径，然后通过统计每个反应路径的频率，来预测反应的主要通路和副反应通路。
通过研究反应路径，可以了解反应的规律性和不确定性，帮助化学家们为工业生产和实验室实验提供更优的反应条件。
反应过渡态是指反应中某一时刻成键和断键的局部过程，即从反应物到产物之间的枢纽。
反应过渡态是反应机理中非常关键的组成部分，可以影响反应速率和产物选择。
分子动力学可以帮助研究反应过渡态，通过模拟分子间的运动，精确定位反应过渡态位置，并了解反应过渡态的结构和特性。
分子动力学原理
分子动力学原理1. 介绍分子动力学（Molecular Dynamics）是一种计算物质运动的方法。
它基于牛顿运动定律和量子力学的原理，通过模拟分子之间的相互作用和运动来研究物质的力学行为。
分子动力学方法在材料科学、生物物理学、化学和环境科学等领域有广泛的应用。
2. 分子动力学的基本原理分子动力学的基本原理是通过求解分子粒子的运动方程来模拟物质的运动。
常用的分子动力学模拟方法包括经典分子动力学（Classical Molecular Dynamics）和量子分子动力学（Quantum Molecular Dynamics）。
2.1 经典分子动力学原理经典分子动力学方法基于经典力学的原理，假设分子中的原子为经典粒子，其运动满足牛顿运动定律。
该方法所研究的系统可以用经典力场来描述，其中分子之间的相互作用由势能函数表示。
通过数值计算得到每个原子的运动轨迹和能量变化。
2.2 量子分子动力学原理量子分子动力学方法考虑了波粒二象性，适用于研究原子和分子的量子效应。
在量子分子动力学中，波函数描述了系统的量子态，通过求解薛定谔方程可以得到系统的动力学行为。
与经典分子动力学不同的是，量子分子动力学方法需要考虑电子结构和核-电子相互作用等量子效应。
3. 分子动力学模拟步骤对于一个分子动力学模拟，一般需要经过以下步骤：3.1 设定初始条件设定模拟系统的初始结构和初始速度。
初始结构可以通过实验测量或计算得到，初始速度可以根据温度和速度分布函数生成。
3.2 计算相互作用计算模拟系统中各个分子之间的相互作用。
相互作用通过势能函数描述，常见的势能函数有Lennard-Jones势和Coulomb势。
3.3 求解运动方程根据分子之间的相互作用和牛顿运动定律，求解分子的运动方程。
常用的求解算法有Verlet算法和Leapfrog算法。
3.4 更新位置和速度根据求解得到的分子的运动方程，更新分子的位置和速度。
3.5 重复模拟重复以上步骤，进行多次模拟并记录模拟结果。
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。
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蛙跳(Leap-frog)算法
1. 首先利用当前时刻的加速度，计算半个时间步长后的速度：
1 1 v i (t t) v i (t - t) a i (t) t 2 2 2. 计算下一步长时刻的位置：
1 ri (t t) ri (t) v i (t t) t 2
COMPASS(Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies)
由美国Accelry公司设计的一个专门模拟金属氧化物固体材料的力场。
极化力场（Polarizable force fields）
U U nb U b U U U U el
分子中的各种运动
图1：乙醇分子
力场作用项的一般形式
键伸缩势能项(Bond stretching)
Harmonic函数
2 Ub 1 k ( l l ) 0 2 b i
kb：键伸缩的弹力系数 ， l0 ：原子间的参考键长， l ：原子间的瞬间实际键长 Morse函数
Umorse l De ((1 exp( l l0 ))2 1)
De：键的解离能 β：表示势阱在参考位置平坦程度的参数 l0 ：参考键长（其他化学键的力常数均为零时，该化学键在最低势能位置的键长）
Morse势函数与谐振子函数的比较
力场作用项的一般形式
键角弯曲项的一般形式为键角的简谐振荡，即：
U el
i, j
qi q j Drij
一个力场通常包括三个部分： 参数有两种来源： （1）原子类型 （1）实验观测的数据
（2）势函数
（3）力场参数
（2）量子力学计算的数据
力场的分类
经典分子力场（classical force field）
OPLS（Optimized Potentials for Liquid simulation）
平衡体系代表封闭系统，与大热源热接触平衡的恒温系统。正则系综的特征 函数是亥姆霍兹自由能F(N,V,T), 复习一下物理化学。
微正则系综(micro-canonical ensemble)------NVE
表示具有确定的粒子数(N)、体积(V)、总能量(E)。
微正则系综广泛被应用在分子动力学模拟中。
由Jorgensen等人发展起来，是第一个由凝聚相热力学性质调节非键参数 的分子力场，在描述凝聚相性质方面OPLS是目前被认为是最好的分子力场之 一，应用非常广泛。
CVFF（consistent valence force field） 由Dauber Osguthope等人发展起来，适用于计算各种多肽、蛋白质与大量 的有机分子。
[1]J. Phys. Chem. A 2001, 105, 9396-9409
动力学模拟基本概念
3.边界条件
在模拟中，如果关心的问题受周围环境的影响较小，模拟可以 采用简单的非周期性边界条件；但如果研究的体系会受到周围 溶质或溶液的影响或者是晶体结构，则最好采用周期性边界条件。
周期性边界条件
周期性边界条件使人们能够基于少量粒子的模拟的同时 考虑周围溶液和溶质分子对研究体系的影响。 把研究的体系看作一个特定形状空间包围的区域，如果 采用了周期边界条件，则这个基本单元会沿着所有的方向进 行周期性扩展以形成一个无限的周期排列。
分子动力学
肖梦月 2015.12.11
分子动力学模拟
根据物理和化学的基本原理，建立一种由计算数据来代替实验测量的
研究方法，获取相关的物理化学信息。 不仅能得到原子的运动细节，能像做实验一样进行各种观察，还能方 便地施加各种外界条件。 作用： （1）模拟材料的结构 （2）计算材料的性质 （3）预测材料行为 （4）验证实验结果，重现实验过程 （5）从微观角度认识材料
正则系综(canonical ensemble)----------NVT
表示具有确定的粒子数(N)、体积(V)、温度(T)。 正则系综是蒙特卡罗方法模拟处理的典型代表。 假定N个粒子处在体积为V的盒子内，将其埋入温度恒为T的热浴中。此时，
总能量(E)和系统压强(P)可能在某一平均值附近起伏变化。
黑磷的原子结构图
图片来源：Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.
分子动力学模拟举例：
分子动力学模拟优势
1.降低实验成本
2.具有较高的安全性
3.实现通常条件下较难或无法进行的实验
如：超低温（低于-100℃）超高压（大于100Mpa） 4.研究过快或过慢的反应 5.从微观角度认识材料
AMOEBA （Atomic Multipole Optimized Energetics for Biomolecular Applications）
由P.Y.Ren和Ponder等人在2002年提出并应用到水分子模型的极化力场。
反应力场（reactive force field）
REBO力场
如图中的每个单元周围有8个临接映射单元；如果是三维周期，则有26个。 映射单元中粒子的坐标通过基本单元中粒子坐标的平移操作得到。当基本单元中的 粒子离开这个单元进入一侧的映射单元时，其映射粒子会从基本单元的另一侧进入 基本单元。
二维周期性边界条件示意图
分子动力学----边界条件 立方体盒子是最简单的周期性边界条件。对于不同的模拟 来说，采用不同形状的周期性边界条件更为合适。原则上讲， 能通过平动操作占据整个空间的基本单元都可以采用周期性边 界条件。 PBC中基本单元形状的选择与模拟体系的形状有关。平时最 常用的是立方体形状的PBC，映像分子的考察比较简单。
发展趋势：
理论模拟和实验相比，精确度要求是模拟最需要考虑的问题，而模拟更大的
体系，较高的效率，实现更长的演化时间，取得更精确的模拟结果是分子动力 学模拟的发展趋势。
MD常用方法(主要方法比较)
量子力学以电子的非定域化（不确定性）为基础,一切电子的行为以波函数来表示,要得到波 函数必须解薛定谔方程,但分子中的电子数目众多,使得这项工作十分困难. • 利用从头算方法（ab initio）通常只能计算上百个原子，Stanford Univ的Todd J. Martí nez教 授目前已经可以进行几千个原子的计算。
经典分子力场（classical force field）
CFF（consistent force field）包括CFF、C、Si、O、S等原子的参数，可计算包含这 些原子的分子体系。 CFF95和PCFF均源自CFF91，都增加一些金属元素以及惰性气体原子的力 参数，可以模拟含有相应原子的分子体系。
动力学模拟基本概念
2.力场（经典的动力学，量子动力学区别）
Force Field
力场有许多不同的形式，各自具有不同的使用范围和局限性。 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）
分子的总势能是其非键势能、键伸缩势能、键角弯曲势能、二面角扭曲势能、 离平面振动势能、库仑静电势能等各类型势能的和：
PIPF （The polarizable intermolecular potential for fluids）
由Minnesota大学的Jiali Gao等人发展起来，基于分子间相互作用的常见有 机液体和生物聚合物的极化力场。
X-Pol（Explicit Polarization Theory） 由Minnesota大学的Jiali Gao提出，基于电子结构理论的极化力场。
• 量子力学：
经典力学：
1.结果精确
2.消耗时间长 3.模拟的体系小
1.一定范围内接近量子模拟结果
2.速度快 3.可模拟上百万原子
动力学模拟基本概念
1. 系综
在经典分子动力学模拟方法的应用当中，存在着对两种系统状态的分子动力学 模拟。 一种是对热力学平衡态的MD模拟； 另一类是对非平衡态的分子动力学模拟。 对平衡态系综分子动力学模拟常用的4种类型： 正则系综的分子动力学（N,V,T）模拟 微正则系综的分子动力学(N,V,E）模拟 等温等压系综分子动力学(N,P,T) 模拟 巨正则系综分子动力学(V,T, μ) 模拟
假定N个粒子处在体积为V的盒子内，并固定总能量(E)。此时，系综的温度 (T)和系统压强(P)可能在某一平均值附近起伏变化。 平衡体系为孤立系统，与外界即无能量交换，也无粒子交换。微正则系综的
特征函数是熵S(N,V,E)。（因为是平衡态，所以S不变）
等温等压(constant-pressure,constant-temperature)-----NPT
12 12 6 6 x dU dU dr F1 4 7 13 dx dr dx r r r
F2 F1
初始位置分别为：x1（0）=0 ，x2（1）=2； 初速度：v1=1.0*10-3，v2=-0.5*10-3； 粒子质量：m=1.0；积分时间间隔：δt=0.01；势能参数：ε=1.0，ζ=1.0
非周期边界条件
分子体系的模拟并不是都使用周期性边界条件，在很多情况下，如材料的表 面并不需要周期性边界条件。
可以根据分子体系所处的外界环境对非周期边界上的粒子施加一定的限制。
例如，边界上的原子设计为位置固定的，就可以形成刚性边界。（原子始终 不动）
Z-matrix
思考：交错式乙烷分子的Z-matrix该怎么表示
表示具有确定的粒子数(N)、压强(P)、温度(T)。 一般是在蒙特卡罗模拟中实现。
其总能量(E)和系统体积(V)可能存在起伏。体系是可移动系统壁情况下