分子動(dòng)力學(xué)（結(jié)合物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)）
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分子動(dòng)力學(xué)
結(jié)合物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)
分子動(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(jì)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(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。
基本信息
| 中文名 | 分子動(dòng)力學(xué) |
| 外文名 | Molecular Dynamics——MD |
| 1957年 | 基于剛球勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)法 |
| 1977年 | 約束動(dòng)力學(xué)方法（Rychaert等） |
| 1964年 | 質(zhì)點(diǎn)系-擴(kuò)張(Rahman)1971年 |
簡史
分子動(dòng)力學(xué)
1971年：剛體系への拡張(RahmanandStillinger)
1977年：約束動(dòng)力學(xué)方法（Rychaert等）
1980年：恒壓條件下的動(dòng)力學(xué)方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）
1983年：非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)方法(GillanandDixon)
1984年：恒溫條件下的動(dòng)力學(xué)方法（能勢(shì)‐フーバーの方法）
1985年：第一原理分子動(dòng)力學(xué)法（→カー?パリネロ法）
1991年：巨正則系綜的分子動(dòng)力學(xué)方法(CaginandPettit)
基本步驟
確定起始構(gòu)型
進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的第一步是確定起始構(gòu)型，一個(gè)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(jì)算。
在確定起始構(gòu)型之后要賦予構(gòu)成分子的各個(gè)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(jì)，因此在這個(gè)階段，體系的溫度是恒定的。另外，在隨機(jī)生成各個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)速度之后須進(jìn)行調(diào)整，使得體系總體在各個(gè)方向上的動(dòng)量之和為零，即保證體系沒有平動(dòng)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(shí)候會(huì)對(duì)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(dòng)，可以想象其間會(huì)發(fā)生吸引、排斥乃至碰
分子動(dòng)力學(xué)
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(gè)入門指南：
1）首先我們需要對(duì)我們所要模擬的系統(tǒng)做一個(gè)簡單的評(píng)估, 三個(gè)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(gè)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(gè)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(chǎng)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(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇
考慮2：力場(chǎng)的選擇。力場(chǎng)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(jì)算擬合后生成的經(jīng)驗(yàn)式，有人會(huì)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(chǎng)：全原子力場(chǎng)，聯(lián)合力場(chǎng)，粗?；?chǎng)；當(dāng)然還有所謂第一代，第二代，第三代力場(chǎng)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(chǎng)。
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(gè)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(gè)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(chǎng)參數(shù)輸入文件，也就是針對(duì)我們系統(tǒng)的力場(chǎng)文件，這通常由所選用的力場(chǎng)決定，比如鍵參數(shù)和非鍵參數(shù)等勢(shì)能函數(shù)的輸入?yún)?shù)。
分子動(dòng)力學(xué)
5）體系的大小通常由你所選用的box大小決定，我們必須對(duì)可行性與合理性做出評(píng)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(huì)存在兩個(gè)原子挨的太近的情況（稱之為bad contact），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(shí)收斂比較慢，而共軛梯度法在能量極小點(diǎn)附近收斂相對(duì)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(chǎng)的產(chǎn)生相一致，舉個(gè)簡單的例子，gromos力場(chǎng)是用的范德華勢(shì)雙截?cái)鄟矶ǚ兜氯A參數(shù)的，若你也用gromos力場(chǎng)的話也應(yīng)該用雙截?cái)鄟硖幚矸兜氯A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(gè)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(shí)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(gè)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(shì)能，動(dòng)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(shí)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(cè)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(dòng)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。
作用勢(shì)與動(dòng)力學(xué)
作用勢(shì)的選擇與動(dòng)力學(xué)計(jì)算的關(guān)系極為密切，選擇不同的作用勢(shì)，體系的勢(shì)能面會(huì)有不同的形狀，動(dòng)力學(xué)計(jì)算所
得的分子運(yùn)動(dòng)和分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的軌跡也會(huì)不同，進(jìn)而影響到抽樣的結(jié)果和抽樣結(jié)果的勢(shì)能計(jì)算，在計(jì)算宏觀體積和微觀成分關(guān)系的時(shí)候主要采用剛球模型的二體勢(shì)，計(jì)算系統(tǒng)能量，熵等關(guān)系時(shí)早期多采用Lennard-Jones、morse勢(shì)等雙體勢(shì)模型，對(duì)于金屬計(jì)算，主要采用morse勢(shì)，但是由于通過實(shí)驗(yàn)擬合的對(duì)勢(shì)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(shì)模型，或者采用第一性原理計(jì)算結(jié)果通過一定的物理方法來擬合二體勢(shì)函數(shù)。但是相對(duì)于二體勢(shì)模型，多體勢(shì)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(jì)算結(jié)果擬合勢(shì)函數(shù)的L-J，morse等勢(shì)模型的應(yīng)用仍然非常廣泛。
時(shí)間步長
分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基本思想是賦予分子體系初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之后利用分子的自然運(yùn)動(dòng)在相空間中抽取樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)
分子動(dòng)力學(xué)
但是通常情況下，體系各自由度中運(yùn)動(dòng)周期最短的是各個(gè)化學(xué)鍵的振動(dòng)，而這種運(yùn)動(dòng)對(duì)計(jì)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(dòng)或其他無關(guān)運(yùn)動(dòng)的約束動(dòng)力學(xué)，約束動(dòng)力學(xué)可以有效地增長分子動(dòng)力學(xué)模擬的時(shí)間步長，提高搜索相空間的能力。
應(yīng)用
分子動(dòng)力學(xué)可以用于NPT，NVE，NVT等系綜的計(jì)算，是一種基于牛頓力學(xué)確定論的熱力學(xué)計(jì)算方法，與蒙特卡洛
分子動(dòng)力學(xué)
另外，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常把分子動(dòng)力學(xué)方法和蒙特卡羅法聯(lián)合使用。
模擬簡述
分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬是研究復(fù)雜的凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。這一技術(shù)既能得到原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，還能象做實(shí)驗(yàn)一樣作各種觀察。對(duì)于平衡系統(tǒng)，可以在一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)觀察時(shí)間(observationtime)內(nèi)作時(shí)間平均來計(jì)算一個(gè)物理量的統(tǒng)計(jì)平均值，對(duì)于一個(gè)非平衡系統(tǒng)過程，只要發(fā)生在一個(gè)分子
分子動(dòng)力學(xué)
分子動(dòng)力學(xué)
分子動(dòng)力學(xué)
另外經(jīng)驗(yàn)勢(shì)近似有一個(gè)本身的局限性，它丟失了局域電子結(jié)構(gòu)之間存在著的強(qiáng)相關(guān)作用信息，也就是說，不能得到成鍵性質(zhì)(bondingproperties),以及原子動(dòng)力學(xué)過程中的電子性質(zhì)。盡管在某些特殊情況下，電子性質(zhì)也能通過經(jīng)驗(yàn)勢(shì)近似來得到，例如用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)來計(jì)算原子結(jié)構(gòu)時(shí)，選取某幾種原子構(gòu)型來作電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，這樣不僅耗時(shí)，而且原子動(dòng)力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算成了相互獨(dú)立的過程。1985年,Car和Parrinello在傳統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)中引入了電子的虛擬動(dòng)力學(xué)，把電子和核的自由度作統(tǒng)一的考慮，首次把密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，提出了從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)方法(也稱CP方法),使基于局域密度泛函理論的第一原理計(jì)算直接用于統(tǒng)計(jì)力學(xué)模擬成為可能，極大地?cái)U(kuò)展了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的廣度和深度。
發(fā)展方向
分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究微觀世界的有效手段"其勢(shì)函數(shù)和數(shù)值算法對(duì)模擬的精度有較大影響，為了提高勢(shì)函數(shù)的精確性，將基于局部密度泛涵理論的從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)，量子化學(xué)分析參數(shù)擬合和蒙特卡洛方法相結(jié)合有望成為研究勢(shì)函數(shù)的最佳方法，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，擺脫了經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)的從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用范圍將會(huì)不斷擴(kuò)大，計(jì)算的精度也會(huì)不斷提高。所以，從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)將會(huì)成為分子動(dòng)力學(xué)模擬未來的主要發(fā)展方向。
數(shù)值算法的高速和高效也是人們一直奮斗的目標(biāo)，最近有人提出的多重時(shí)間寬度法，由于有效地減少了計(jì)算時(shí)間而可能成為分子動(dòng)力學(xué)方法中較有前途的數(shù)值積分算法，分子動(dòng)力學(xué)方法與其他計(jì)算方法，如有限單元法、模擬淬火法、蒙特卡羅法等的結(jié)合也將成為未來的發(fā)展方向之一。
詞條圖冊(cè)
參見
計(jì)算化學(xué)分子模擬en:moleculardynamicsja:分子動(dòng)力學(xué)法nl:Moleculairedynamica
參考資料
http://wiki.keyin.cn/index.php/%E5%88%86%E5%AD%90%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E5%AD%A6
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