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1、 簡介
   
分子動力學方法是一種計算機模擬實驗方法,是研究凝聚態系統的有力工具。該技術不僅可以得到原子的運動軌跡,還可以觀察到原子運動過程中各種微觀細節。它是對理論計算和實驗的有力補充。廣泛應用于材料科學、生物物理和藥物設計等。
   
分子動力學總是假定原子的運動服從某種確定的描述,這種描敘可以牛頓方程、拉格朗日方程或哈密頓方程所確定的描述,也就是說原子的運動和確定的軌跡聯系在一起。在忽略核子的量子效應和Born-Oppenheimer絕熱近似下,分子動力學的這一種假設是可行的。所謂絕熱近似也就是要求在分子動力學過程中的每一瞬間電子都處于原子結構的基態。要進行分子動力學模擬就必須知道原子間的相互作用勢。
   
在分子動力學模擬中,我們一般采用經驗勢來代替原子間的相互作用勢,如Lennard-Jones勢、Mores勢、EAM原子嵌入勢、F-S多體勢。然而采用經驗勢必然丟失了局域電子結構之間存在的強相關作用信息,即不能得到原子動力學過程中的電子性質。

2、方法和分類
方法:
   
第一步 建模:包括幾何建模,物理建模,化學建模,力學建模。初始條件的設定, 這里要從微觀和宏觀兩個方面進行考慮。
   
第二步 過程:這里就是體現所謂分子動力學特點的地方。包括對運動方程的積分的有效算法。對實際的過程的模擬算法。關鍵是分清楚平衡和非平衡,靜態和動態以及準靜態情況。
   
第三步 分析:這里是做學問的關鍵。你需要從以上的計算的結果中提取年需要的特征,說明你的問題的實質和結果。因此關鍵是統計、平均、定義、計算。比如溫度、體積、壓力、應力等宏觀量和微觀過程量是怎么聯系的。

分類:

電子模擬(量化計算,DFT
Ø   量子化學計算
Ø   
一般處理幾個到幾十個原子
Ø   
常見軟件:GAUSSIAN,NWCHEM
Ø   
密度泛函(DFT
Ø   
可以算到上百個原子
Ø   
常見軟件:VASP
分子模擬(分子動力學,蒙特卡洛)
a
、分子級別的模擬
Ø      
分子水平的模擬
Ø      
以分子的運動為主要模擬對象
Ø      
采用經驗性的分子間作用函數模擬微粒之間的作用
Ø      
一般情況下不考慮電子轉移效應,因而不能準確模擬化學成鍵作用
Ø      
發展最早
Ø      1950s
,Alder,勞倫斯利物默實驗室,分子動力學模擬32個原子
Ø      1950s
,Metropolis,洛斯阿洛莫斯實驗室,蒙特卡洛模擬32個原子
Ø      
分子級別的模擬應用的領域很廣
Ø      
廣泛應用于化學,物理,生物,化工,材料,機械,治藥等領域
Ø      
簡單易學
b
、蒙特卡洛方法
Ø      
蒙特卡洛是一種優化方法
Ø      
通過蒙特卡洛算法來尋求能量最優點
Ø      
隨機方法
Ø      
通過系綜平均來求取宏觀性質
Ø      
模擬的是平衡狀態,不涉及時間效應(KMC除外)
Ø      
優點是可以跨越時間因素,缺點是得不到有關時間信息的性質
CPMD:
考慮量子效應的分子動力學
Ø    
同時考慮原子核的運動(牛頓力學)和電子的運動(量子力學)
Ø    
能同時準確模擬物理作用和化學鍵作用
Ø    
目前來說CPMD可以處理的體系還很?。甘鱸櫻?/span>
顆粒方法(Coarse Grain
Ø    
將分子基團(幾個或者幾十上百個原子)當成單個的微粒來處理
Ø    
微粒之間的作用也是通過類似于分子動力學的未能函數來描述
Ø    
可以模擬更長的時間跨度

 

3、幾種常見的針對軟材料模擬分子動力學軟件

3.1 namd
//www.ks.uiuc.edu/Research/namd/
主要針對與生物和化學軟材料體系
優點:程序設計水平高,計算效率高,號稱可以有效并行到上千個處理器;兼容多種輸入和輸出文件格式,有很好的分析輔助軟件VMD;有很好的維護服務;不需安裝;免費
缺點:萬一需要自己安裝的話比較麻煩

3.2 AMBER
//amber.scripps.edu
主要針對生物體系,也適當兼容一般化學分子
優點:有很好的內置勢能模型;自定義新模型和新分子很方便;有很完善的維護網站
缺點:計算效率不高(收斂到16個處理器),運算速度慢
3.3 CHARMM
//www.charmm.org/
主要針對生物體系,也包含部分化學體系
優點:勢能模型更新很快;自定義新模型比較方便;維護服務很好
缺點:運算速度慢,計算效率低
3.4 TINKER
//dasher.wustl.edu/tinker/
一般性分子動力學軟件,對生物體系略有偏重
優點:支持多種模型
缺點:仍在開發中,某些方面還不完善
3.5 LAMMPS
//www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html
一般性分子模擬軟件
優點:兼容當前大多數的勢能模型;編程水平高,計算效率高(比NAMD差,強于其他所有類似軟件);可以模擬軟材料和固體物理系統
缺點:維護差
3.6 DL-POLY
//www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/
一般性分子模擬軟件
優點:界面友好;計算效率高(有兩個版本供選擇,適合于不同大小的體系);維護服務很好
缺點:兼容性不好
3.7 GROMACS
//www.gromacs.org/
主要針對生物體系,也適當照顧一般化學體系
優點:算法好,計算效率高;界面友好;維護服務好
缺點:兼容性不好
3.8 Materials Explorer
多功能分子動力學軟件
立足于Windows平臺的多功能分子動力學軟件。擁有強大的分子動力學計算及Monte Carlo軟件包,是結合應用領域來研究材料工程的有力工具。Materials Explorer可以用來研究有機物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導體等晶體、非晶體、溶液,流體,液體和氣體相變、膨脹、壓縮系數、抗張強度、缺陷等。Materials Explorer軟件中包含2Body,3Body,EAM,AMBER63個力場可供用戶選擇。Materials Explorer軟件擁有完美的圖形界面,方便使用者操作。
功能:
創建模型:
• MD Cell Builder ——
創建非晶和有序體系
• Add MD Cell ——
創建分層體系,如晶界和相界等
• Molecule Generator ——
在吸附,CVD, spattering 模擬中插入新的分子到MD Cell
附加工具:
• Molecule Builder ——
提供所有類型的分子的創建
• Crystal Builder ——
使用空間點群和不對稱單元創建晶體結構,用于無機固體及分子晶體系統的研究
• Polymer Module ——
模擬不定型聚合物
• pdb → bdl
支持輸入pdb格式的文件
各種靈活的模擬功能:
• NEV, NTV, NPH
NTP全部使用 Parrinello-Rahman-Nose 方法
兩種積分方法: Gear (predictor-corrector) Hernandez (leap-frog)
使用SHAKE 算法進行鍵約束計算
可以采用周期邊界條件
研究異相系統(氣-固界面,固體顆粒邊界等)
多種分子模型:potential,rigid body,bond constraint,united atom model
使用Parrinello-Rahman Nose 方法進行溫度和壓力控制分子動力學模擬
初始馳豫——阻止在液體和非晶模擬中的爆炸
外?。壕駁緋?,磁場,重力場,包括球和彈性能力校正
電荷確定工具——確定分子的原子電荷
輕松建立隨機多組分液相或氣相系統;
輕松進行分子模擬,從而研究晶體或外延生長,表面吸附和表面破壞;
利用復制,剪切和粘貼功能建立帶有缺陷和雜質的??橄低?/span>
分析:
• Monitoring Module ——
顯示溫度,壓力,內能以及其它熱力學性質與時間的2D曲線圖
• 3D Atomic Configuration Module ——
顯示系統的快照,軌跡和動畫
• MSD Module ——
從輸出數據計算均方位移(MSD)。顯示MSD2D圖像,以及每個分子的自擴散系數。
• PCF Module ——
計算配對相關性函數和自由基分布函數,并描繪出相應的二維圖
• Interference Function Module ——
根據一對相關函數計算X-ray 和中子衍射。
• Voronoi Module ——
計算Voronoi 多面體的數目和這個多面體的面數。利用Voronoi分析對無定形固態進行表征
• Internal Coordinate Module ——
計算鍵長,鍵角,二面角,或指定分子類型的里面角,在分布圖中顯示分布狀態。
• Velocity Auto-Correlation Function & Spectrum Module ——
計算自相關函數和基于Wiener-Khintchin方法的譜
• Modulus of Elasticity Module ——
計算彈性系數


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