分子动力学模拟介绍

分子动力学简介：
　　
　　分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，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。2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBMlueGene/L）。
　　
　　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Born-Oppenheimer绝热近似下，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关作用信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质。
　　
　　详细介绍请见附件。
　　
　　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。　　
　　有了这三步，你就可以做一个好的分子动力学专家了。推而广之，其实所谓的介观模拟，蒙特卡罗模拟、有限元模拟都是一个道理。
　　
　　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：VASP
　　
　　2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）　　
　　2.2.1分子级别的模拟　　
　　?分子水平的模拟，以分子的运动为主要模拟对象，采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用。一般情况下不考虑电子转移效应，因而不能准确模拟化学成键作用　　
　　?发展最早　　
　　?1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子　　
　　?1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子　　
　　?分子级别的模拟应用的领域很广，广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等领域　　
　　?简单易学
　　
　　2.2.2蒙特卡洛方法　　
　　?蒙特卡洛是一种优化方法，通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点　　
　　?随机方法：通过系综平均来求取宏观性质，模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）　　
　　?优点是可以跨越时间因素，缺点是得不到有关时间信息的性质
　　
　　2.3CPMD:考虑量子效应的分子动力学
　　?同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学），能同时准确模拟物理作用和化学键作用　　
　　?目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）
　　
　　2.4颗粒方法（CoarseGrain）　　
　　?将分子基团（几个或者几十上百个原子）当成单个的微粒来处理，微粒之间的作用也是通过类似于分子动力学的未能函数来描述，可以模拟更长的时间跨度
　　
　　3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件
　　
　　3.1namd：　　http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/
　　　　主要针对与生物和化学软材料体系
　　
　　优点：　程序设计水平高，计算效率高，号称可以有效并行到上千个处理器，　兼容多种输入和输出文件格式，有很好的分析辅助软件VMD，有很好的维护服务，　不需安装，　免费　　
　　缺点：　万一需要自己安装的话比较麻烦
　　
　　3.2AMBER：　　http://amber.scripps.edu
，主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子　　
　　优点：　　有很好的内置势能模型，　自定义新模型和新分子很方便，　有很完善的维护网站　　
　　缺点：　　计算效率不高（收敛到16个处理器），运算速度慢，　$400
　　
　　3.3CHARMM：　http://www.charmm.org/
　　主要针对生物体系，也包含部分化学体系
　　
　　优点：　　势能模型更新很快，自定义新模型比较方便，维护服务很好　　
　　缺点：　　运算速度慢，计算效率低，　
$600
　　
　　3.4TINKER：　http://dasher.wustl.edu/tinker/
　一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重
　　
　　优点：　　支持多种模型，　　免费　　
　　缺点：　　仍在开发中，某些方面还不完善
　　
　　3.5LAMMPS：　　http://www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html
，　　一般性分子模拟软件
　　
　　优点：　　兼容当前大多数的势能模型，　　编程水平高，计算效率高（比NAMD差，强于其他所有类似软件），　　可以模拟软材料和固体物理系统，　　免费
　　缺点：　　维护差
　　
　　3.6DL-POLY：　　http://www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/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
　　
　　3.7GROMACS：　　http://www.gromacs.org/
　　主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系
　　
　　优点：　　算法好，计算效率高，　　界面友好，　　维护服务好，　免费软件　　
　　缺点：　　兼容性不好
　　
　　
3.8MaterialsExplorer
　　
　　多功能分子动力学软件
　　
　　立足于Windows平台的多功能分子动力学软件。拥有强大的分子动力学计算及MonteCarlo软件包，是结合应用领域来研究材料工程的有力工具。MaterialsExplorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。MaterialsExplorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。MaterialsExplorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。
　　
　　功能：　　
　　创建模型：　　
　　?MDCellBuilder——创建非晶和有序体系　　
　　?AddMDCell——创建分层体系，如晶界和相界等　　
　　?MoleculeGenerator——在吸附，CVD，spattering模拟中插入新的分子到MDCell
　　
　　附加工具：　　
　　?MoleculeBuilder——提供所有类型的分子的创建　　
　　?CrystalBuilder——使用空间点群和不对称单元创建晶体结构，用于无机固体及分子晶体系统的研究　　
　　?PolymerModule——模拟不定型聚合物　　
　　?pdb→bdl支持输入pdb格式的文件　
　　各种灵活的模拟功能：　　
　　?NEV,NTV,和NTP全部使用Parrinello-Rahman-Nose方法　　
　　?两种积分方法:Gear(predictor-corrector)和Hernandez(leap-frog)　　
　　?使用SHAKE算法进行键约束计算，可以采用周期边界条件，研究异相系统（气-固界面，固体颗粒边界等）
　　
　　?多种分子模型：potential，rigidbody，bondconstraint，unitedatommodel　　
　　?使用Parrinello-Rahman和Nose方法进行温度和压力控制分子动力学模拟　　
　　?初始驰豫——阻止在液体和非晶模拟中的爆炸　　
　　?外场：静电场，磁场，重力场，包括球和弹性能力校正　　
　　?电荷确定工具——确定分子的原子电荷　　
　　?轻松建立随机多组分液相或气相系统；　　
　　?轻松进行分子模拟，从而研究晶体或外延生长，表面吸附和表面破坏；　　
　　?利用复制，剪切和粘贴功能建立带有缺陷和杂质的模块系统
　　
　　分析：　　
　　?MonitoringModule——显示温度，压力，内能以及其它热力学性质与时间的2D曲线图　　
　　?3DAtomicConfigurationModule——显示系统的快照，轨迹和动画　　
　　?MSDModule——从输出数据计算均方位移（MSD）。显示MSD的2D图像，以及每个分子的自扩散系数。　　
　　?PCFModule——计算配对相关性函数和自由基分布函数，并描绘出相应的二维图　　
　　?InterferenceFunctionModule——根据一对相关函数计算X-ray和中子衍射。　　
　　?VoronoiModule——计算Voronoi多面体的数目和这个多面体的面数。利用Voronoi分析对无定形固态进行表征　　
　　?InternalCoordinateModule——计算键长，键角，二面角，或指定分子类型的里面角，在分布图中显示分布状态。　　
　　?VelocityAuto-CorrelationFunction&SpectrumModule——计算自相关函数和基于Wiener-Khintchin方法的谱　　
　　?ModulusofElasticityModule——计算弹性系数