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分子動力學(xué)簡介 已有2人參與
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分子動力學(xué)是一門結(jié)合物理，數(shù)學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)。分子動力學(xué)是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學(xué)來模擬分子體系的運(yùn)動，以在由分子體系的不同狀態(tài)構(gòu)成的系綜中抽取樣本，從而計算體系的構(gòu)型積分，并以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。 分子動力學(xué)簡史 1957年：基于剛球勢的分子動力學(xué)法（alder and wainwright） 1964年：質(zhì)點(diǎn)系への拡張(rahman) 1971年：剛體系への拡張(rahman and stillinger) 1977年：約束動力學(xué)方法（rychaert等） 1980年：恒壓條件下的動力學(xué)方法（andersenの方法、parrinello-rahman法） 1983年：非平衡態(tài)動力學(xué)方法(gillan and dixon) 1984年：恒溫條件下的動力學(xué)方法 1985年：第一原理分子動力學(xué)法 1991年：巨正則系綜的分子動力學(xué)方法(cagin and pettit) 確定起始構(gòu)型 進(jìn)行分子動力學(xué)模擬的第一步是確定起始構(gòu)型， 一個能量較低的起始 構(gòu)型 是進(jìn)行 分 子模擬 的基礎(chǔ) ，一般分子的起始構(gòu)型主要來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或量子化學(xué)計算。 1 在確定起始構(gòu)型之后要賦予構(gòu)成分子的各個原子速度，這一速度是根據(jù)波爾茲曼分布隨機(jī)生成的，由于速度的分布符合波爾茲曼統(tǒng)計，因此在這個階段，體系的溫度是恒定的。另外，在隨機(jī)生成各個原子的運(yùn)動速度之后須 進(jìn)行調(diào)整，使得體系總體在各個方向上的動量之和為零，即保證體系沒有平動位移。 進(jìn)入平衡相 由上 一步 確定的分子組建平衡相，在構(gòu)建平衡相的時候會對構(gòu)型、溫度等參數(shù)加以監(jiān)控。 進(jìn)入生產(chǎn)相 進(jìn)入生產(chǎn)相之后體系中的分子和分子中的原子開始根據(jù)初始速度運(yùn)動，可以想象其間會發(fā)生吸引、排斥乃至碰撞，這時就根據(jù)牛頓力學(xué)和預(yù)先給定的粒子間相互作用勢來對各個粒子的運(yùn)動軌跡進(jìn)行 計算，在這個過程中，體系總能量不變，但分子內(nèi)部勢能和動能不斷相互轉(zhuǎn)化，從而 體系的溫度也不斷變化，在整個過程中，體系會遍歷勢能面上的各個點(diǎn)，計算的樣本正是在這個過程中抽取的。 計算結(jié)果 用抽樣所得體系的各個狀態(tài)計算當(dāng)時體系的勢能，進(jìn)而計算構(gòu)型積分。 1 作用勢與動力學(xué)計算 作用勢的選擇與動力學(xué)計算的關(guān)系極為密切，選擇不同的作用勢，體系的勢能面會有不同的形狀，動力學(xué)計算所得的分子運(yùn)動 和分子內(nèi)部運(yùn)動的軌跡也會不同，進(jìn)而影響到抽樣的結(jié)果和抽樣結(jié)果的勢能計算，在計算宏觀體積和微觀成分關(guān)系的時候主要采用剛球模型的二體勢，計算系統(tǒng)能量，熵等關(guān)系時早期多采用lennard-jones、morse勢等雙體勢模型，對于金屬計算，主要采用morse勢，但是由于通過實(shí)驗(yàn)擬合的對勢容易導(dǎo)致柯西關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)不符，因此在后來的模擬中有人提出采用eam等多體勢模型，或者采用第一性原理計算結(jié)果通過一定的物理方法來擬合二體勢函數(shù)。但是相對于二體勢模型，多體勢往往缺乏明確的表達(dá)式，參量很多，模擬收斂速度很慢，給應(yīng)用帶來很大的困難，因此在一般應(yīng)用中，通過第一性原理計算結(jié)果擬合勢函數(shù)的l-j，morse等勢模型的應(yīng)用仍然非常廣泛。 時間步長與約束動力學(xué) 分子動力學(xué)計算的基本思想是賦予分子體系初始運(yùn)動狀態(tài)之后利用分子的自然運(yùn)動在相空間中抽取樣本進(jìn)行統(tǒng)計計算，時間步長就是抽樣的間隔，因而時間步長的選取對動力學(xué)模擬非常重要。太長的時間步長會造成分子間的激烈碰撞，體系數(shù)據(jù)溢出；太短的時間步長會降低模擬過程搜索相空間的能力，因此一般選取的時間步長為體系各個自由度中最短運(yùn)動周期的十分之一。 但是通常情況下，體系各自由度中運(yùn)動周期最短的是各個化學(xué)鍵的振動，而這種運(yùn)動對計算某些 宏觀性質(zhì) 并不產(chǎn)生影響，因此就產(chǎn)生了屏蔽分子內(nèi)部振動或其他無關(guān)運(yùn)動的約束動力學(xué)，約束動力學(xué)可以有效地增長分子動力學(xué)模擬的時間步長，提高搜索相空間的能力。 一般性步驟 以下是做模擬的一般性步驟，具體的步驟和過程依賴于確定的系統(tǒng)或者是軟件，但這不影響我們把它當(dāng)成一個入門指南： 1）首先我們需要對我們所要模擬的系統(tǒng)做一個簡單的評估, 三個問題是我們必須要明確的： 做什么（what to do）為什么做（why to do）怎么做（how to do） 2）選擇合適的模擬工具，大前提是它能夠?qū)崿F(xiàn)你所感興趣的目標(biāo)，這需要你非常謹(jǐn)慎的查閱文獻(xiàn)，看看別人用這個工具都做了些什么，有沒有和你相關(guān)的，千萬不要做到一半才發(fā)現(xiàn)原來這個工具根本就不能實(shí)現(xiàn)你所感興趣的idea，切記！ 考慮1：軟件的選擇，這通常和軟件主流使用的力場有關(guān)，而軟件本身就具體一定的偏向性，比如說，做蛋白體系，gromacs，amber，namd均可；做dna,rna體系，首選肯定是amber；做界面體系，dl_poly比較強(qiáng)大，另外做材料體系，lammps會是一個不錯的選擇 考慮2：力場的選擇。力場是來描述體系中最小單元間的相互作用的，是用量化等方法計算擬合后生成的經(jīng)驗(yàn)式，有人會嫌它粗糙，但是它確確實(shí)實(shí)給我們模擬大系統(tǒng)提供了可能，只能說關(guān)注的切入點(diǎn)不同罷了。常見的有三類力場：全原子力場，聯(lián)合力場，粗�；�；當(dāng)然還有所謂第一代，第二代，第三代力場的說法，這里就不一一列舉了。 再次提醒注意：必須選擇適合于我們所關(guān)注體系和我們所感興趣的性質(zhì)及現(xiàn)象的力場。 3）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者是某些工具得到體系內(nèi)的每一個分子的初始結(jié)構(gòu)坐標(biāo)文件，之后，我們需要按我們的想法把這些分子按照一定的規(guī)則或是隨機(jī)的排列在一起，從而得到整個系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，這也是我們模擬的輸入文件。 4）結(jié)構(gòu)輸入文件得到了，我們還需要力場參數(shù)輸入文件，也就是針對我們系統(tǒng)的力場文件，這通常由所選用的力場決定，比如鍵參數(shù)和非鍵參數(shù)等勢能函數(shù)的輸入?yún)?shù)。 5）體系的大小通常由你所選用的box大小決定，我們必須對可行性與合理性做出評估，從而確定體系的大小，這依賴于具體的體系，這里不細(xì)說了。 6）由于初始構(gòu)象可能會存在兩個原子挨的太近的情況（稱之為badcontact），所以需要在正式模擬開始的第一步進(jìn)行體系能量最小化，比較常用的能量最小化有兩種，最速下降法和共軛梯度法，最速下降法是快速移除體系內(nèi)應(yīng)力的好方法，但是接近能量極小點(diǎn)時收斂比較慢，而共軛梯度法在能量極小點(diǎn)附近收斂相對效率高一些，所有我們一般做能量最小化都是在最速下降法優(yōu)化完之后再用共軛梯度法優(yōu)化，這樣做能有效的保證后續(xù)模擬的進(jìn)行。 7）以平衡態(tài)模擬為例，你需要設(shè)置適當(dāng)?shù)哪M參數(shù)，并且保證這些參數(shù)設(shè)置和力場的產(chǎn)生相一致，舉個簡單的例子，gromos力場是用的范德華勢雙截斷來定范德華參數(shù)的，若你也用gromos力場的話也應(yīng)該用雙截斷來處理范德華相互作用。常見的模擬思路是，先在nvt下約束住你的溶質(zhì)（劑）做限制性模擬，這是一個升溫的過程，當(dāng)溫度達(dá)到你的設(shè)定后,接著做npt模擬，此過程將調(diào)整體系的壓強(qiáng)進(jìn)而使體系密度收斂。 經(jīng)過一段時間的平衡模擬，在確定系統(tǒng)弛豫已經(jīng)完全消除之后，就可以開始取數(shù)據(jù)了。如何判斷體系達(dá)到平衡，這個問題是比較技術(shù)性的問題，簡單的講可以通過以下幾種方式，一，看能量（勢能，動能和總能）是否收斂；二，看系統(tǒng)的壓強(qiáng)，密度等等是否收斂；三看系統(tǒng)的rmsd是否達(dá)到你能接受的范圍，等等。 8）運(yùn)行足夠長時間的模擬以確定我們所感興趣的現(xiàn)象或是性質(zhì)能夠被觀測到，并且務(wù)必確保此現(xiàn)象出現(xiàn)的可重復(fù)性。 9）數(shù)據(jù)拿到手后，很容易通過一些可視化軟件得到軌跡動畫，但這并不能拿來發(fā)文章。真正的工作才剛剛開始——分析數(shù)據(jù)，你所感興趣的現(xiàn)象或性質(zhì)只是表面，隱含在它們之中的機(jī)理才是文章中的主題。 應(yīng)用 分子動力學(xué)可以用于npt，nve，nvt等系綜的計算，是一種基于牛頓力學(xué)確定論的熱力學(xué)計算方法，與蒙特卡洛法相比在宏觀性質(zhì)計算上具有更高的準(zhǔn)確度和有效性，可以廣泛應(yīng)用于物理，化學(xué)，生物，材料，醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。 另外，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常把分子動力學(xué)方法和蒙特卡羅法聯(lián)合使用。 [ Last edited by 月只藍(lán) on 2021-7-22 at 20:57 ] |
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