分子動力學(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)進一步計算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。
基本信息
| 中文名 | 分子動力學(xué) |
| 外文名 | Molecular Dynamics——MD |
| 1957年 | 基于剛球勢的分子動力學(xué)法 |
| 1977年 | 約束動力學(xué)方法（Rychaert等） |
| 1964年 | 質(zhì)點系-擴張(Rahman)1971年 |
簡史
分子動力學(xué)
1971年：剛體系への拡張(RahmanandStillinger)
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(GillanandDixon)
1984年：恒溫條件下的動力學(xué)方法（能勢‐フーバーの方法）
1985年：第一原理分子動力學(xué)法（→カー?パリネロ法）
1991年：巨正則系綜的分子動力學(xué)方法(CaginandPettit)
基本步驟
確定起始構(gòu)型
進行分子動力學(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)型是進行分子模擬的基礎(chǔ)，一般分子的起始構(gòu)型主要來自實驗數(shù)據(jù)或量子化學(xué)計算。
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，在隨機生成各個原子的運動速度之后須進行調(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。
進入生產(chǎn)相
進入生產(chǎn)相之后體系中的分子和分子中的原子開始根據(jù)初始速度運動，可以想象其間會發(fā)生吸引、排斥乃至碰
分子動力學(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，這需要你非常謹慎的查閱文獻，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)驗式，有人會嫌它粗糙，但是它確確實實給我們模擬大系統(tǒng)提供了可能，只能說關(guān)注的切入點不同罷了。常見的有三類力場：全原子力場，聯(lián)合力場，粗?；?；當然還有所謂第一代，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）通過實驗數(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)。
分子動力學(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bad contact），所以需要在正式模擬開始的第一步進行體系能量最小化，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時收斂比較慢，而共軛梯度法在能量極小點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)模擬的進行。
7）以平衡態(tài)模擬為例，你需要設(shè)置適當?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，當溫度達到你的設(shè)定后, 接著做NPT模擬，此過程將調(diào)整體系的壓強進而使體系密度收斂。
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，密度等等是否收斂；三看系統(tǒng)的RMSD是否達到你能接受的范圍，等等。
8）運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理才是文章中的主題。
作用勢與動力學(xué)
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
得的分子運動和分子內(nèi)部運動的軌跡也會不同，進而影響到抽樣的結(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，但是由于通過實驗擬合的對勢容易導(dǎo)致柯西關(guān)系，與實驗不符，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
分子動力學(xué)計算的基本思想是賦予分子體系初始運動狀態(tài)之后利用分子的自然運動在相空間中抽取樣本進行統(tǒng)計
分子動力學(xué)
但是通常情況下，體系各自由度中運動周期最短的是各個化學(xué)鍵的振動，而這種運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。
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
分子動力學(xué)
另外，在實際應(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。
模擬簡述
分子動力學(xué)計算機模擬是研究復(fù)雜的凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。這一技術(shù)既能得到原子的運動軌跡，還能象做實驗一樣作各種觀察。對于平衡系統(tǒng)，可以在一個分子動力學(xué)觀察時間(observationtime)內(nèi)作時間平均來計算一個物理量的統(tǒng)計平均值，對于一個非平衡系統(tǒng)過程，只要發(fā)生在一個分子
分子動力學(xué)
分子動力學(xué)
分子動力學(xué)
另外經(jīng)驗勢近似有一個本身的局限性，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)驗勢近似來得到，例如用經(jīng)驗勢的分子動力學(xué)來計算原子結(jié)構(gòu)時，選取某幾種原子構(gòu)型來作電子結(jié)構(gòu)計算，這樣不僅耗時，而且原子動力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)計算成了相互獨立的過程。1985年,Car和Parrinello在傳統(tǒng)的分子動力學(xué)中引入了電子的虛擬動力學(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力學(xué)有機地結(jié)合起來，提出了從頭計算分子動力學(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算直接用于統(tǒng)計力學(xué)模擬成為可能，極大地擴展了計算機模擬實驗的廣度和深度。
發(fā)展方向
分子動力學(xué)模擬是研究微觀世界的有效手段"其勢函數(shù)和數(shù)值算法對模擬的精度有較大影響，為了提高勢函數(shù)的精確性，將基于局部密度泛涵理論的從頭計算分子動力學(xué)，量子化學(xué)分析參數(shù)擬合和蒙特卡洛方法相結(jié)合有望成為研究勢函數(shù)的最佳方法，隨著計算機性能的不斷提高，擺脫了經(jīng)驗勢函數(shù)的從頭計算分子動力學(xué)的應(yīng)用范圍將會不斷擴大，計算的精度也會不斷提高。所以，從頭計算分子動力學(xué)將會成為分子動力學(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，最近有人提出的多重時間寬度法，由于有效地減少了計算時間而可能成為分子動力學(xué)方法中較有前途的數(shù)值積分算法，分子動力學(xué)方法與其他計算方法，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
參見
計算化學(xué)分子模擬en:moleculardynamicsja:分子動力學(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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作者
