2022年实验8水分子扩散系数分子动力学模拟-.docx

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1、精品学习资源运算材料学试验讲义试验二：分子动力学模拟 -水分子扩散系数一、前言分子动力学模拟的基本思想是将物质看成是原子和分子组成的粒子系统many-body systems，设置初始位能模型，通过分析粒子的受力状况，运算粒子的牛顿运动方程，得到粒子的空间运动轨迹，可以求得复杂体系的热力学参数以及结构和动力学性质；分子动力学模拟的理论是统计力学中的各态历经假说Ergodic Hypothesis，即保守力学系统从任意初态开头运动，只要时间足够长，它将经过相空间能量曲面上的一切微观运动状态，系统力学量的系综平均等效力学量的时间平均，因此可以通过运算系综的经典运动方程来得到力学量的性质；比方，由

2、N个粒子组成的系综的势能运算函数为：欢迎下载精品学习资源UUVDWU int1-1欢迎下载精品学习资源UVDW表示粒子内和粒子之间的 Van der Waals相互作用； Uint 表示粒子的内部势能键角弯曲能，键伸缩能、键扭转能等 ；依据经典力学方程，系统中第 i个粒子的受力大小为：欢迎下载精品学习资源Fii Uijk U xiyizi1-2欢迎下载精品学习资源那么第i 个粒子的加速度可以通过牛顿其次定律得到：欢迎下载精品学习资源ai tFi t1-3欢迎下载精品学习资源mi由于体系有初始位能，每个粒子有初始位置和速度，那么加速度对时间进行积分，速度对时间积分就可以获得各个任意时刻粒子的速度

3、和位置：欢迎下载精品学习资源d 2r idt 2dviaidt1-4欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源v0v iia i trr 0v0t1 a t 21-51-6欢迎下载精品学习资源iii2irv， r 0v 0i 和 分别是系统中粒子 t时刻的位置和速度i和 i 分别是系统中粒子初始时刻的位置和速度；依据各态历经假说，可获得任意物理量Q的系综平均，因此得到体系的相关性质：欢迎下载精品学习资源QQ tlim 1tttQ r tdt01-7欢迎下载精品学习资源分子动力学模拟能够运算体系的能量，粒子间的相互作用，角动量，角度以及二面角分布，剪切粘度，结构参数，压力参数，热力学参数，弹性性质

4、，动力学性质等；均方位移就是表征粒子动力特性的重要参量，它是粒子位移平方的平均值meansquaredisplacement, MSD 表达式如下：欢迎下载精品学习资源MSDRt r t 2r 0欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源式中，括号表示平均值，ri t表示时间 t 时粒子i 的位置；欢迎下载精品学习资源依据爱因斯坦的扩散定律：式中， D为粒子的扩散系数 diffusion constant；因此，当时间很长时，均方位移曲线的斜率即为 6D；因此可依据 MSD 曲线斜率求得粒子的扩散系数；二、试验目的1明白分子动力学方法的原理；2把握 MS 软件的基本操作和分子动力学模拟的基本步骤

5、；3把握粒子扩散系数的运算方法；三、试验内容以水分子的扩散系数运算例，绽开详述；1. 回忆基本操作；2. 模型构建；1构建分子；第一构建水分子，并命名为water；欢迎下载精品学习资源2安排力场电荷；利用分子力学方法对分子结构进行优化，第一需要给构建的分子安排力场，挑选 discover 模块中的 setup，显现如下对话框：挑选 Energy，确定 Force field 挑选为 compass；挑选 Typing，点击 Calculate，给定分子每个原子力场参数， 即分子内及分子间的相互作用势； 点击 Automation，确认相关选项均挑选 No； 挑选 Non-Bond，Apply

6、settings to 挑选 vdW Coulomb， Summation method挑选 Atom based， Quality 挑选 Medium，点击 More， cutoff distance 选；点击 Job Control 挑选 My Computer；3优化分子；挑选 discover 模块中的 Minimizer ，显现如下对话框：欢迎下载精品学习资源Method 挑选 Smart Minimizer ，Convergence level 挑选 Medium，点击 Minimize ，开头进行优化；优化完毕后，在 Project 中会显现文件名为 water Disco Mi

7、n的文件夹，文件夹内名为water.xsd 的文件即为优化后的分子结构；如以下图所示：4定义 Group；Modify-Charges-Charge Group-Define需选中原子 欢迎下载精品学习资源5构建水盒子；点击 Add，然后修改添加水分子的数目 Number：300，密度设为 1 盒子；3. 优化体系；挑选 discover 模块中的 Minimizer ，详细参数设置 Non-Bond，Apply settings to 挑选vdW Coulomb， Summation method挑选 Group based，其它同分子结构优化参数设置；最终点击 Minimize ，完成优化

8、；4. 分子动力学模拟；1打开上述优化好的 3D 结构，从工具栏中挑选，然后挑选 Dynamics，或者从菜单上挑选 Modules-Discover-Dynamics，显现如下对话框：欢迎下载精品学习资源将 dynamics time 改为 100ps，Save改为 Full，Frame output every改为 1000，点击 Run.运算需要花费几分钟的时间，运行完毕后，显现名为water Disco Dynamics 的文件夹；5. 数据分析；1定义 set：选中全部水分子 -Edit-Edit Sets-NewName 改为 water-OK2提取 MSD 曲线欢迎下载精品学习资

9、源欢迎下载精品学习资源discover 模块中的 Analysis-Dynamic-Mean squared displacement-Analyze参数设置如下图欢迎下载精品学习资源MSD 曲线如以下图：分别是沿 X、Y、Z 轴方向和总的均方根位移；取总的MSD 在图上右击 -Delete Graph选中要删掉的曲线然后点击 OK，拷贝到 Exce 中，求其斜率从而得到水分子的扩散系数；欢迎下载精品学习资源140120y=1.275x+0.515100mn2r806040200020406080100t/ps依据斜率得到水分子的扩散系数： 2.13*10-9m2/s，试验值： 2.0-2.5*10-9m2/s欢迎下载