分子动力学
分子动力学的理论与应用
分子动力学的理论与应用随着计算机技术的飞速发展，在科学研究中，模拟和计算成为了越来越重要的工具。
其中，分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）作为一种能够模拟物质的运动和相互作用的计算方法，被广泛应用在材料科学、生物学、化学、物理学等领域。
本文将探讨分子动力学的理论基础及其在各领域的应用。
一、分子动力学的理论基础分子动力学方法通过分子间的势能函数来计算物质分子的运动轨迹和内部结构演化。
分子间的相互作用势能可以用不同的数学模型来表示，如Lennard-Jones势、Coulomb势等。
应用分子动力学方法研究物质的结构和性质时，首先需要建立模型，即定义每个原子的初始位置和速度，并给定初始的势能函数。
在模拟过程中，随着时间的推移，原子会受到吸引和排斥力的作用，从而引起物质内部的运动和相互作用。
这一过程可以通过求解牛顿运动方程来模拟。
在每个时间步内，力的大小和方向都会改变，原子在被施加了作用力后，对自己和周围原子的位置和速度进行更新，从而得到下一时刻的状态。
二、分子动力学在材料科学中的应用作为一种能够精确模拟材料内部结构和性质的方法，分子动力学在材料科学中得到广泛的应用。
其中，材料的力学性质是研究的重点之一。
分子动力学可以通过诸如拉伸、使剪切等不同的加载方式，对材料进行拉伸测试和力学分析。
利用分子动力学可以预测不同脆、塑性材料在受到不同载荷下各个阶段的力学响应，从而为材料加工、改性等提供理论指导。
此外，分子动力学也被广泛用于研究材料热力学性质。
通过对材料中原子的热运动进行模拟，可以确定材料的热传导特性、热膨胀系数等参数，从而为材料的热处理和设计提供依据。
三、分子动力学在生物学中的应用分子动力学不仅在材料科学中应用广泛，还被广泛应用于生物学领域。
利用分子动力学可以快速生成生物分子的三维结构，预测分子的运动轨迹、分子间的相互作用等信息。
分子动力学被广泛应用于药物筛选、蛋白质构象分析以及多肽、糖类等复杂分子的研究。
分子动力学简介
分子动力学简介分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种计算模拟方法，用于研究分子和材料的运动行为。
它可以通过对分子间相互作用进行数值模拟，预测分子的结构、动力学和热力学性质。
在MD模拟中，分子被视为由原子组成的粒子系统。
通过牛顿运动定律和库仑定律等基本定律来描述原子之间的相互作用，并通过数值计算来模拟其运动轨迹。
MD模拟可以提供有关物理、化学和生物过程中原子和分子运动的详细信息。
MD模拟涉及到许多参数，其中最重要的是势能函数。
势能函数定义了原子之间的相互作用方式，并决定了系统的稳定性和性质。
常见的势能函数包括Lennard-Jones势、Coulomb势、Bonded势等。
在进行MD模拟时，还需要选择合适的时间步长和温度控制方法。
时间步长是指每次计算所需的时间长度，通常需要根据系统特点进行调整以确保准确性和稳定性。
温度控制方法包括恒温、恒压等，可以帮助保持系统平衡并控制温度和压力。
MD模拟已经被广泛应用于材料科学、生物化学、药物设计等领域。
例如，通过对蛋白质分子进行MD模拟，可以预测蛋白质的结构和功能，并为药物设计提供指导。
在材料科学中，MD模拟可以帮助研究材料的力学性能、热传导性能等。
尽管MD模拟具有很多优点，如不需要大量实验数据、可以提供详细的原子级别信息等，但也存在一些限制。
例如，由于计算资源的限制，MD模拟通常只能涉及较小的系统；同时，由于势能函数的不确定性和时间步长的选择等因素的影响，结果可能存在误差。
总之，分子动力学作为一种计算模拟方法，在许多领域都得到了广泛应用。
通过对分子运动行为进行数值模拟，可以深入了解物理、化学和生物过程中原子和分子间相互作用机制，并为相关领域的研究和应用提供有价值的参考。
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。
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
分子动力学研究
分子动力学研究一、什么是分子动力学研究分子动力学研究是一种计算机模拟方法，可用于研究分子运动的行为，包括温度、压力、化学反应等，以及与其他分子和化学物质的相互作用和反应。
它是一种基于牛顿力学的计算方法，通过对粒子之间的相互作用力和动力学方程的求解，计算出系统在不同时间、不同位置所处的状态，并从中推断出系统的性质。
二、分子动力学研究的应用1. 材料科学领域分子动力学研究可以用于研究材料的力学性质，如材料的强度、韧性等，同时还可以探究材料的结构和物理性质，如密度、金属离子的相互作用等。
2. 生物医学领域分子动力学研究可帮助研究蛋白质酶的作用机理，开发新药物，解决生化和生物学中的许多问题，如蛋白质的折叠和可溶性、细胞膜的作用等。
3. 能源领域分子动力学研究可以用于对燃料电池、太阳能电池等的性能进行优化，改进能源转化的效率和效率。
4. 环境科学领域分子动力学研究可以用于研究环境问题，例如空气污染、水质问题和可持续能源等。
三、分子动力学研究的优势1. 详细了解体系行为的机制分子动力学研究可以刻画不同分子的行为及不同分子间的相互作用，从而帮助我们更好地了解体系的动力学特性和反应过程。
2. 模拟实验成本低相比实际实验，分子动力学研究成本低，需要的设备和材料也较少，节约了设备成本和时间，加速了研究进程。
3. 为实验提供依据和指导采取分子动力学研究，可以预测实验结果，为实验提供指导和参考，提高实验的效果和精度。
四、分子动力学研究的应用展望从事分子动力学研究有许多新的应用前景。
比如，应用新型的计算机模型和算法将带来更准确的预测结果；将会有更多着眼于生物医学和医药研发的应用，也将会有更多针对能源和环境领域的应用研究发展。
总之，分子动力学研究在众多领域中有着广泛的应用。
通过研究微观尺度下的粒子间相互作用，可以揭示物质的物理和化学特性，并提供预测体系行为的重要工具。
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。
分子动力学模拟入门ppt课件
0.5 μm
Fig. 2. The effect of converging geometry obtained by MD simulation
of one million particles in the microscale.
34
Dzwinel, W., Alda, W., Pogoda, M., and Yuen, D.A., 2000, Turbulent mixing in the microscale: a 2D molecular dynamics
r r
V (r)
4
r
1
/
12
r
1
/
6
记 V / V；r / r
9
分子间势能及相互作用
▪ 一些气体的参数
Neon (nm) 0.275 /kB(K) 36
Argon Krypon Xenon Nitrogen
0.3405 0.360 0.410 0.370
119.8 171 221
i
m vi2
22
i
宏观性质的统计
▪ 系统的势能
Ep
V (rij )
1i j N
▪ 系统的内能
Ek
i
p2 2mi
▪ 系统的总能 E = Ep+Ek
▪ 系统的温度
1
T dNkB
i
mivi2
23
模拟
• 热容 定义热容
E：系统总能
Cv
E T
V
计算系统在温度T和T+T时的总能ET、ET +T，
26
模拟
模拟
▪ 气、液状态方程
维里定理(Virial Theorem)
分子动力学计算
分子动力学计算
1分子动力学计算
分子动力学（MolecularDynamics，MD）计算是一种量化分子物理（quantummolecularphysics）方法，主要用于研究分子和组分结构、动态和反应过程。
它是以分子的实际力学动力学方程为基础，采用计算机模拟的方式来研究大体系的性质，并综合运用分子物理理论获得大分子和组分的结构和性质等信息。
2动力学计算方法
MD计算涉及以下几个方面：第一，建立分子体系的模型，用它对分子体系进行模拟；第二，利用实际的力学动力学方程定义相互作用的分子潜能；第三，采用某种解法计算相互作用的分子潜能所引起的动量转化；第四，根据所给的初始条件与编程的方法，模拟一段时间内的系统运动；第五，根据分子模型更新初始条件，对分子模型进行演化，以获取系统性质随着时间变化而变化的规律。
3应用领域
MD计算在许多方面都有着重要的应用，如材料科学、药物化学、分子生物学、化学工程、纳米科学等领域。
还可以在精细化学品加工、电子行业、汽车制造、机械加工等行业得到广泛应用。
MD计算还可以应用到生物流体动力学中，根据分子模型来绘制血液循环管道中各细胞、非物质小分子以及物质分子的空间分布状况，
以此模拟相关生物流体动力学过程，可以用来准确预测分子动力学中血液循环管道中扩散、传输等现象。
以上就是MD计算的基本概念以及应用领域，它已经发挥着重要的作用，为各个领域的研究提供了重要的参考依据。
- 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)。
应用举例 1
MD模拟纳米尺度结构表面过冷沸腾传热机理 1.控制方程和选择的模型 基本控制方程根据牛顿第二定律：
比焓和质量密度与温度的关系图 圆圈表示由EMD算出的平衡值
➢ 温度T，比焓h，和密度ρ的 部分梯度值
➢ 黄带表示近似统计误差 ➢ 圆圈表示由EMD计算出的相
应的平衡值
模拟B：固液共存系统
MD单元固体结构的快照
The green circle at the center in the top view shows the molecule at the origin
➢ 红线显示了由NEMD模拟得到的局部值 ➢ 液体和固体状态下的平衡值由圆圈和三角形分别示出
在这两个模拟中，NEMD运行的局部密度ρ和比焓h 等于所述统计误差范围内的平衡值
Thanks!
谢谢观看！ 2020
性能
The specific enthalpy, h, in a local slab of volume V was calculated by
计算Cp和αp的波动公式：
在EMD模拟中，平均值<X>的统计误差通过下面的标准 偏差来估计：
模拟A ：超临界流体系统 左下图示为A模拟得到：剖面ZZ压力分量p ZZ，温 度T，比焓h，和密度ρ，
U函数： 是i原子的坐标
本例子中，水和铜板传热过程将使用MD模拟，因此需要铜， 氧和氢原子的参与。Cu–O, Cu–H, and Cu–Cu, Lennard–Jones (L–J)的相互作用被应用于：
2.计算模型和方法 水分子是基本立方（BC）单元 在铜固体区域中，铜原子设置面心立方单元（FCC）样式 每个原子都符合下面的方程：
应用举例 2
非平衡分子动力学模拟作为一种计算热力学系数的方 法 假设温度梯度往Z方向形成，给出平衡热力学关系式：
热膨胀系数：
NEMD模拟系统
比热： 其中，T是温度， ρ是密度，h表示比焓
分子通过在偏移力（SF）形式的LJ势相互作用
L J函数
其中，r表示分子间距离 ， rc表示截止距离 这里执行了两个NEMD模拟，模拟A和模拟B： 运行A模拟旨在探讨在LE-NEMD的基本特征 试验B目的是展示在一个高度不均匀系统LE-NEMD的
计算域和边界可大致分为四个区域，即水蒸汽，水液体， 纳米结构的固体铜表面和恒温器边界区域。如下图：
计算域和边界图
横截面尺寸图
热量条件和不同情况的模型表格
在此模拟中使用的参数
结果与分析：
右图显示出了水/蒸汽 的水温与时间的相互关 系。
左图呈现了PT0模型沸腾过
程，时间分别 为 0，0.8，1.6 和2.4纳秒。
原理&模拟方法
模拟软件：LAMMPS
开源的MD模拟软件
可单机运行分子和原子的水平着手
通过研究众多的单个分子运动规律来揭示系统整体的 宏观行为
能够在认识热现象的本质的基础上求得不少热现象的 宏观参数
基本原理：
分子 原子
视为
统计力学
经典粒子
计算机模拟
分子动力学模拟
MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION
单学坤 彭瑶 王志强 刘志敏 张孝松 施娅
NanJing Tect Unversity
背景介绍
微电子技术
举例： 微电子电路尺度己达微米量级中
的导热对流冷却
传热学
微电子机械系统
微槽道微米量级中的对流换热 薄膜材料的热传导
微电子机械系统中的流动与传热 共同的特点 换热是在微尺度条件下进行的
不同模型的过冷沸腾过程Comparison of sub-cooled boiling process
in cases P-T2, C-T2 and F-T2 at t = 200,300 and 400 ps. (White ellipses indicate where nano-scale gas cavities form).
分子动力学模拟的主要步骤有：
研究系统及其边界以及系统内分子间作用势模型的选取 模拟算法的建立，实质是求解一组运动方程 分子的初始位置和动量的设定 当体系达到平衡后，依据统计公式，获得各宏观参数和输运性质
系统达到平衡状态
宏观参数不随时间变化
相关统计公式
所需物理量，例如热力学性质 或参数
能解决的问题
传统换热 微尺度换热
比较
微尺度传热具有新的特点和规律：
微槽道中对流换热强度比常规尺度 对流换热高出两个数量级
超薄薄膜材料导热系数比常规尺度 同种材料导热系数低一到两个数量 级
微尺寸物体自然对流换热比大空间 自然对流换热明显增强
这些微尺度条件下的传热现象,其中有些目前还无 法由经典的传热理论得到完整的解释。
在这样的背景下，分子动力学模拟法应运而生
分子动力学方法特征：
✓ 可预测纳米尺度上的动力学特性。 ✓ 可用于模拟与原子运动路径相关的基本过程。 ✓ 粒子的运动行为是通过经典的Newton运动方程所描述。 ✓ 分子动力学方法是确定性方法，一旦初始构型和速度确
定了，分子随时间所产生的运动轨迹也就确定了。