分子动力学第一次学习汇报
分子动力学课程小结
分子动力学模拟课程小结一．分子动力学的基本原理在分子动力学模拟中，体系原子的一系列位移是通过对牛顿运动方程积分得到的，结果是一条运动轨迹，它表明了系统内原子的位置与速度如何随时间而发生变化。
通过解牛顿第二定律的微分方程，可以获得原子的运动轨迹。
方程如下：这个方程描述了质量为m i的原子i在力Fi的作用下，位置矢量为r i时的运动方程。
其中，Fi可以由势函数U的梯度给出：系统的温度则与系统中全部原子的总动能K通过下式相联系：N是原子数，Nc是限制条件，k B是波尔兹曼常数。
二. MD模拟的积分算法为了得到原子的运动轨迹，可以采用有限差分法来求解运动方程。
有限差分法的基本思想就是将积分分成很多小步，每一小步的时间固定为δt。
用有限差分解运动方程有许多方法，所有的算法都假定位置与动态性质（速度、加速度等）可以用Taylor级数展开来近似：在分子动力学模拟中，常用的有以下的几中算法：1.Verlet算法运用t时刻的位置和速度及t－δt时刻的位置，计算出t＋δt时刻的位置：两式相加并忽略高阶项，可以得到：速度可以通过以下方法得到：用t＋δt时刻与t－δt时刻的位置差除以2δt：同理，半时间步t+δt时刻的速度也可以算：Verlet算法执行简单明了，存储要求适度，但缺点是位置r(t＋δt)要通过小项与非常大的两项2r(t)与r(t－δt)的差相加得到，容易造成精度损失。
另外，其方程式中没有显示速度项，在没有得到下一步的位置前速度项难以得到。
它不是一个自启动算法：新位置必须由t时刻与前一时刻t－δt的位置得到。
在t＝0时刻，只有一组位置，所以必须通过其它方法得到t－δt的位置。
一般用Taylor级数：2.Velocity－Verlet算法3.Leap-frog算法为了执行Leap-frog算法，必须首先由t-0.5δt时刻的速度与t时刻的加速度计算出速度v(t+δt)，然后由方程计算出位置r(t+δt)。
T时刻的速度可以由：得到。
分子动理论知识点讲解复习总结
5、计算: ④分子大小
d
3
6V分
或d 3 V分
二.分子永不停息地做无规则运动
1.扩散现象
①定义:不同物质相互接触,彼
此进入对方的现象.
②产生原因:组成物质的分子永 不停息地做无规则运动.
③实质:扩散现象就是物质分 子的无规则运动.
二.分子永不停息地做无规则运动 1.扩散现象
④快慢决定因素:物质状态:气
3.物体的内能U
①定义:物体中所有分子的动
能和势能的总和,叫做物体的内 能.用U表示.
②一切物体都有内能:物体的
内能不会为零;而物体的机械
能可以为零.
四、物体的内能 3.物体的内能U
③物体的内能有关因素
物体的内能与物体的温 度、体积、还与物体的质 量、摩尔质量有关。
四、物体的内能
4.物体内能的改变方式
例．以下说法正确的是
A、对物体做功时，物体 内能一定增大
B、温度越高物体的内能 越大 C、物体向外放热时，物 体内能一定减小
例．以下说法正确的是
D、物体的机械能为零时， 内能可能不为零
E、物体温度不变时，内 能可能减少 H、0℃的冰比等质量的 0℃的水内能小
例．关于分子间的相互作用力， 下列说法正确的是
的电子之间的电场力。
四、物体的内能
1.分子的平均动能
①所有分子的动能的平均值, 叫分子平均动能.
②温度是分子平均动能的标 志:温度越高,分子平均动能 越大.
四、物体的内能
2.分子的势能
①定义:由分子间相互作用 力和分子间相对位置决定的
能,叫做分子势能.
四、物体的内能 2.分子的势能 ②分子势能与分子力做功关系 当r=r0 = 10-10m时,分子力 为零,分子势能最小.
分子动理论【优秀4篇】-最新
分子动理论【优秀4篇】在平日的学习中，大家最不陌生的就是知识点吧！知识点是指某个模块知识的重点、核心内容、关键部分。
你知道哪些知识点是真正对我们有帮助的吗？为您带来了4篇《分子动理论》，如果能帮助到亲，我们的一切努力都是值得的。
分子动理论的初步知识篇一教学目标a. 知道物质是由分子构成的；分子不停地做无规则运动；分子的体积和质量都非常小，在一般物体里含有的分子数非常多。
b. 能识别并会解释扩散现象，知道扩散现象表明了分子不停地做无规则运动。
c. 知道分子间存在作用力，分子间作用力与分子间距离有关，知道一些分子间相互作用力的实例。
d. 理论联系实际，培养学生用所学知识解决实际问题的能力。
教学建议“分子动理论的初步知识”教材分析分析一：本节首先介绍了有关分子和分子运动的初步知识，并对分子大小进行了讨论，使学生对分子体积小、数量大留下深刻印象。
然后从观察实验，分析宏观现象出发，通过推理去探索微观世界的思路，依次介绍了分子的无规则运动和相互作用力。
分析二：分子运动论是从本质上认识各种热现象的理论。
按照分子运动论的观点，一切热现象都是由构成物体的大量分子无规则运动引起的，温度就是大量分子无规则运动剧烈程度的标志。
利用分子运动论，可以成功地解释大量的热现象。
分析三：分子运动论的基本内容：物质由大量分子构成，分子体积极小，直径只有10-10米左右，一滴水约含有1.6×1021个水分子，分子之间有空隙，气体分子的间隙最大，液体次之，固体分子间隙最小；分子做永不停息的无规则运动，这种运动与温度有关，一般温度高的物体内部分子运动剧烈，所以人们把分子的这种无规则运动叫做热运动，扩散现象是分子无规则运动的例证；分子之间有引力和斥力同时存在，分子间距离小于平衡位置时，斥力大于引力，分子间作用力表现为斥力，分子间距离等于平衡位置时，斥力等于引力，分子间作用力为零，分子间距离大于平衡位置时，斥力小于引力，分子间作用力表现为引力，由于分子间的引力，使固体能保持一定的形状和体积，而由于分子间的斥力，使分子间保持一定的空隙，也使得固体和液体较难压缩。
化学反应中的分子动力学研究
化学反应中的分子动力学研究化学反应是一种复杂的化学现象，涉及到许多分子之间的相互作用和交换。
在化学反应中，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）研究起着至关重要的作用。
分子动力学是一种基于牛顿运动定律的计算方法，它可以模拟分子的运动和相互作用，并研究分子的结构、性质、反应动力学等问题。
分子动力学在化学反应中的应用非常广泛。
例如，通过模拟化学反应中的分子动力学过程，可以研究化学反应的机理、速率、热力学和动力学等方面的问题。
这为化学工业的研究和开发提供了重要的理论基础。
同时，分子动力学还可以用于设计新材料和药物，优化催化剂和反应条件等方面的研究。
在分子动力学的模拟中，通常需要考虑分子的几何构型和分子之间的相互作用。
几何构型通常使用分子力学方法来计算，而相互作用通常使用经验力场方法来描述。
因此，分子动力学模拟的精度和可靠性很大程度上取决于力场模型的选择和开发。
近年来，一些先进的计算机技术和算法也被应用到了分子动力学模拟中。
例如，基于人工智能的机器学习方法可以用于高通量的力场参数优化和模型选择。
基于量子化学的计算方法可以用于模拟分子反应中的电子传递和化学键的形成和断裂。
这些技术和算法的不断发展，为分子动力学模拟提供了更精确、更高效的计算方法，使得化学反应的研究更加深入和广泛。
除了计算方法的开发和应用，分子动力学模拟还需要对实验数据进行验证和修正。
例如，通过比较分子动力学模拟和NMR、XRD等实验结果，可以验证力场模型的准确性和优劣。
同时，通过分子动力学模拟和实验数据的结合，可以更加深入地研究化学反应中的分子动力学过程，并得到更加准确的实验结论。
总之，分子动力学是化学反应研究中不可缺少的工具之一。
它可以模拟分子的运动和相互作用，研究化学反应的机理、速率、热力学和动力学等问题。
随着计算机技术和算法的不断发展和优化，分子动力学的精度和可靠性将会不断提高，进一步推动化学反应研究的发展和进步。
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。
分子动力学实验报告
分子动力学实验报告实验名称平衡晶格常数和体弹模量实验目的1、学习Linux系统的指令2、学习lammps脚本的形式和内容实验原理原子、离子或分子在三维空间做规则的排列，相同的部分具有直线周期平移的特点。
为了描述晶体结构的周期性，人们提出了空间点阵的概念。
为了说明点阵排列的规律和特点，可以在点阵中去除一个具有代表性的基本单元作为点阵的组成单元，称为晶胞。
晶胞的大小一般是由晶格常数衡量的，它是表征晶体结构的一个重要基本参数。
在本次模拟实验中，给定Si集中典型立方晶体结构：fcc，bcc，sc，dc。
根据可判定dc结构是否能量最低，即是否最稳定材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。
弹性模量是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括杨氏模量、剪切模量、体积模量等。
在弹性变形范围内,物体的体应力与相应体应变之比的绝对值称为体弹模量。
表达式为B=−dP dV V⁄式中，P为体应力或物体受到的各向均匀的压强，dV V⁄为体积的相对变化。
对于立方晶胞，总能量可以表示为ε=ME，E为单个原子的结合能，M 为单位晶胞内的原子数。
晶胞体积可以表示为V=a3，那么压强P为P=−dεdV=−M3a2dEda故体积模量可以表示为根据实验第一部分算出的平衡晶格常数，以及能量与晶格间距的函数关系，可以求得对应晶格类型的体积模量。
并与现有数据进行对比。
实验过程（1）平衡晶格常数将share文件夹中关于第一次实验的文件夹拷贝到本地，其中包含势函数文件和input文件。
$ cp□-r□share/md_1□.$ cd□md_1$ cd□1_lattice通过LAMMPS执行in.diamond文件，得到输出文件，包括体系能量和cfg文件，log文件。
$ lmp□-i□in.diamond用gnuplot画图软件利用输出数据作图，得到晶格长度与体系能量的关系，能量最低处对应的晶格长度即是晶格常数。
加速分子动力学总结
加速分子动力学总结加速分子动力学在用MD进行模拟预测时，因为运动积分方程的积分时间步大约为飞秒量级，计算量巨大，而且因为时间积分本质上是有顺序的，直接并行计算起不了多大作用，模拟只能在有限的时间尺度进行(比如纳米尺度或者至多是微秒尺度)，严重阻碍了时间演化较长的物理化学过程的模拟。
近二十年来，针对传统MD模拟时间尺度较小的缺陷，学者们做出不懈努力，已经提出了一些改进的加速分子动力学方法。
一种方法是从模拟方法学上改进，粗粒化方法就是其中之一;另一种方法是完善模拟算法，提高信息采样有效[44]性，Voter等人发展的加速分子动力学方法是其中的典型代表，相对于直接MD模拟，他们的方法将时间尺度提高了几个数量级，而且可以应用到空穴流动，扭转成核、颗粒增长、界面演化等广泛的材料问题中。
此外，由于计算机硬件的发展， Graphic Processing Units (GPU,图形处理器)在科学计算中的应用越来越广泛，从而引发了计算化学革命。
许多学者在通过利[45]用GPU，提高MD计算效率方面做出了许多尝试。
东南大学的杨决宽首先在[46]GPU上进行MD模拟，模拟较传统MD方法效率提高了10倍;中科院过程所在[47-48]这方面已经取得了一些重要进展。
不过由于基于GPU与CPU的编程架构和方法有很大区别，在此将不对GPU加速方法作详细介绍。
注:GPU是计算机中用来处理可视化效果尤其是3D 效果的处理器。
为了能够使图像更加逼真，每一个GPU 中往往包含有上百个计算单元，且可以同时进行并行计算,这样的特性使得GPU成为了比CPU更适合进行科学计算的处理器。
比如英伟达公司的G70显卡，每秒的浮点数运算达到了165Gflops，而一个3Hz的[49]Pentium 4处理器，理论运算峰值大约为6 Gflops。
以下将主要简要介绍加速Voter提出的三种分子动力学加速方法。
1 Hyper dynamics(超动力学)[50]超动力学方法是Voter在1997年提出的。
分子动力学结果分析
分子动力学模拟通常包括初始化、平衡和采样三个步骤。初始化是为系统设定初始构型和 速度；平衡是让系统达到热力学平衡状态；采样是在平衡状态下对系统进行长时间的模拟 ，以获取所需的物理量。
适用范围
分子动力学模拟适用于各种尺度的系统，从简单的无机物到复杂的生物大分子、纳米材料 等。它可以模拟不同温度、压力和化学环境下的系统行为，为实验提供重要的补充和验证 手段。
结合自由能计算和构象变化分析
结合自由能计算方法
介绍用于计算药物与受体结合自由能的方法，如 MM/PBSA、MM/GBSA等。
结合自由能计算结果
展示结合自由能的计算结果，并分析其与实验结果的 一致性。
构象变化分析
通过分析模拟过程中药物和受体的构象变化，探讨药 物对受体功能的影响以及可能的副作用。
06
02
分子动力学模拟过程
模拟软件及参数设置
常用软件
LAMMPS、GROMACS、NAMD等
时间步长
通常选择1-2 fs，需根据体系特性和力场 参数进行调整
温度和压力控制
采用Nose-Hoover热浴和ParrinelloRahman压浴等方法
模拟时长
根据研究目的和体系大小，选择合适的模 拟时长，通常为数纳秒至微秒级别
折叠路径和能量变化分析
1
通过分析模拟轨迹，可以识别出蛋白质折叠的不 同路径和中间态，了解折叠过程的多样性。
2
能量分析可以揭示折叠过程中的能量变化和热力 学稳定性，包括自由能计算和能量图谱的构建。
3
结合实验数据和理论分析，可以对模拟结果进行 验证和补充，为蛋白质设计和药物研发提供指导 。
05
典型案例分析：药物与受体相互作用研究
挑战与展望
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
分子力场：根据波恩-奥本海默近似原理，计算中将电子运动忽略 ，将系统的能量视为原子核位置的函数，即分子的能量随分子构型的 变化而变化，描述分子能量和结构之间的函数就称为分子力场函数。
注：波恩-奥本海默近似：因原子核质量比电子大很多，近似认为 电子运动状态与核无关，从而将求解整个体系的波函数的复杂过程分 解为求解电子波函数和求解原子核波函数两个相对简单得多的过程。
优点：系统中粒子运动有正确物理依据，准确性高，可以获得 系统动态性质。
缺点：无法模拟时间较长的运动问题。
二 统计力学基础知识
统计力学：根据对物质微观结构及微观粒子相互作用的认识，用概率统 计的方法，认为表征系统宏观性质的宏观量是大量微观粒子的统计平均值。 统计力学是分子模拟的基础。
1 配分函数（统计力学核心，通过配分函数可以计算系统的各种性质。 ）
分子模拟作用： 1 计算材料结构 ； 2 计算材料性质； 3 预测材料行为； 4 验证试验结果； 5 从微观角度认识材料
分子模拟的优势
1 降低成本
2 增进安全性
3 实现通常条件下难以或无法进行的实验 超低温
超高压
此外，分子模拟还具有模拟较快或较慢反应，并帮 助人们从微观角度认识材料的作用。
2 分子模拟原理
最为普遍的量子力学方法为从头计算法（ab initio method）。
量子力学中一切电子的行为以其波函数表示。根据海森伯的测不 准原理，量子力学仅能计算区间内电子出现的概率，其概率正比于 波函数绝对值的平方。欲得到电子的波函数，需求解薛定谔方程：
式中， 为薛定谔算子，ψ为电子波函数，E为能量。
虽然基于量子力学的从头算（ab initio）非常精确，但计算效率非 常低，所计算的系统通常不超过100个原子。因此，量子力学的方法适 用于简单的分子或电子数量较少的体系。而对于生化分子，聚合物等 含大量原子及电子的系统，量子力学方法很难求解。
蒙特卡洛(MC)方法：通过系统中质点的随机运动，结合统计力 学的概率分配原理，来得到体系的统计及热力学性质。
优点：不涉及时间时间效应，可以模拟平衡态。 缺点：只能计算统计平均值，不能得到动态信息。 而且粒子随 机运动不符合物理学运动原理。
分子动力学（MD）方法：是应用分子力场及根据牛顿运动原理 所发展的计算方法。
量子力学是利用波函数来研究微观粒子运动的一个物理学分支， 主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的性质、 结构的基本理论，量子力学与相对论一起构成现代物理基础。
正是量子力学的出现，许多现象才得以被真正解释，基本上所有 物理间的相互作用都可以用量子力学来描述。
第一原理方法（First Principle）：以量子力学为基础，不借助于经 验（实验）参数的方法。
分子力场函数中的参数来自于量子力学计算或实验方法得到，相 比于精确的量子力学从头算方法（ab initio）,虽然有些粗糙，但计算 量要小数十倍，而且在适当范围内，分子力场的计算结果与量子力学 计算结果接近，故对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之 有效的方法。
分子力学，分子动力学，蒙特卡洛方法等就是基于分子力场的分 子模拟方法。
2 系综
三 力场基础知识
勇于开始，才能找到成 功的路
6 交叉作用项
四 分子间势的发展
分子动力学第一次学习 汇报
2020年4月23日星期四
本节课汇报分四个内容
1 Molecular Dynamics(MD) 简介 2 统计力学基础知识 3 力场基础知识 4 分子间势的发展
一 MD 简介
1 分子模拟
分子模拟：即根据物理和化学基本原理，利用计算机代替试验测量，获 取相关物理和化学信息的方法。