分子模拟教程精.ppt
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1、分子模拟教程第1页,本讲稿共41页计算机分子模拟的部分应用领域:计算机分子模拟的部分应用领域:生物、制药:生物、制药:生物、制药:生物、制药:大分子性质、药物设计大分子性质、药物设计大分子性质、药物设计大分子性质、药物设计 力学、物理学:力学、物理学:力学、物理学:力学、物理学:应力与裂纹扩展、团簇研究应力与裂纹扩展、团簇研究应力与裂纹扩展、团簇研究应力与裂纹扩展、团簇研究 化学、化工化学、化工化学、化工化学、化工:溶液理论、吸附、界面化学溶液理论、吸附、界面化学溶液理论、吸附、界面化学溶液理论、吸附、界面化学 微电子、微机械:微电子、微机械:微电子、微机械:微电子、微机械:半导体工艺、微加工
2、、半导体工艺、微加工、半导体工艺、微加工、半导体工艺、微加工、超薄膜润滑:超薄膜润滑:超薄膜润滑:超薄膜润滑:地质、矿产:地质、矿产:地质、矿产:地质、矿产:地核动力学、熔融盐结构地核动力学、熔融盐结构地核动力学、熔融盐结构地核动力学、熔融盐结构 及其性质及其性质及其性质及其性质第2页,本讲稿共41页掌握分子模拟方法的必备知识:掌握分子模拟方法的必备知识:编程技能编程技能编程技能编程技能 (Fortran or C/C+)(Fortran or C/C+)统计物理学(统计力学)统计物理学(统计力学)统计物理学(统计力学)统计物理学(统计力学):统计物理学基础;统计物理学基础;统计物理学基础;统
3、计物理学基础;系综原理;系综原理;系综原理;系综原理;非平衡统计力学基础;非平衡统计力学基础;非平衡统计力学基础;非平衡统计力学基础;涨落理论涨落理论涨落理论涨落理论分子热力学分子热力学分子热力学分子热力学 :分子间相互作用理论;分子间相互作用理论;分子间相互作用理论;分子间相互作用理论;分布函数理论分布函数理论分布函数理论分布函数理论气体分子运动论气体分子运动论气体分子运动论气体分子运动论其它其它其它其它第3页,本讲稿共41页主要的学习参考书籍:主要的学习参考书籍:1.Computer Simulation of Liquids.1.Computer Simulation of Liquid
4、s.-M.P.Allen and D.J.Tildesley,Oxford University(1987)-M.P.Allen and D.J.Tildesley,Oxford University(1987)2.The Art of Molecular Dynamics Simulation.2.The Art of Molecular Dynamics Simulation.-D.C.Rapaport,Cambridge University(1995)-D.C.Rapaport,Cambridge University(1995)3.Understanding Molecular Si
5、mulation:From Algorithms to 3.Understanding Molecular Simulation:From Algorithms to Applications.Applications.-D.Frenkel and B.Smit,Academic(1996)-D.Frenkel and B.Smit,Academic(1996)第4页,本讲稿共41页2.什么是计算机分子模拟方法?什么是计算机分子模拟方法?分子模拟的定义:分子模拟的定义:分子模拟的定义:分子模拟的定义:从统计力学基本原理出发,将一定数量的分子输入计算从统计力学基本原理出发,将一定数量的分子输入计
6、算从统计力学基本原理出发,将一定数量的分子输入计算从统计力学基本原理出发,将一定数量的分子输入计算机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。q q 按照获得微观态的方法不同,分子模拟分为:按照获得微观态的方法不同,分子模拟分为:(1)蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法(Monte Carlo,MC)(2)分子动力学方法分子动力学方法(Molecular Dynamics,MD)(3)混合方法混合方法(hybrid method,HM)第5页,本讲稿共41页计算机分子模拟的
7、发展历史:计算机分子模拟的发展历史:1.蒙特卡罗方法(蒙特卡罗方法(MC)1953 1953 Metropolis,Ulam,Rosenbluth and TellMetropolis,Ulam,Rosenbluth and TellLos Alamos National LabLos Alamos National LabMonte Carlo simulation of hard sphere.Monte Carlo simulation of hard sphere.2.分子动力学方法(分子动力学方法(MD)19571957Alder and WainwrigthAlder and Wa
8、inwrigthLivermore LabLivermore LabMolecular dynamics simulation of hardMolecular dynamics simulation of hardspheres.spheres.第6页,本讲稿共41页计算机计算机分子模拟分子模拟的发展历史(续)的发展历史(续)从上个世纪九十年代初期以来,计算机模拟技术从上个世纪九十年代初期以来,计算机模拟技术得到了飞速发展,主要基于三个方面的发展:得到了飞速发展,主要基于三个方面的发展:v分子力场的发展(基石)分子力场的发展(基石)(Amber,OPLS、Compass)原子间的键长、键角、
9、分子间的内聚能等原子间的键长、键角、分子间的内聚能等v模拟算法(途径)模拟算法(途径)v计算机硬件(工具)计算机硬件(工具)HPCx第7页,本讲稿共41页计算机分子模拟的特点:计算机分子模拟的特点:1.1.原子水平的模拟原子水平的模拟原子水平的模拟原子水平的模拟2.2.计算机实验计算机实验计算机实验计算机实验3.3.检验理论、筛选实验检验理论、筛选实验检验理论、筛选实验检验理论、筛选实验4.4.科学研究中的第三种方法科学研究中的第三种方法科学研究中的第三种方法科学研究中的第三种方法第8页,本讲稿共41页2.MC方法简介方法简介vv利利利利 用用用用 马马马马 尔尔尔尔 可可可可 夫夫夫夫 链链
10、链链 方方方方 法法法法 产产产产 生生生生 感感感感 兴兴兴兴 趣趣趣趣 的的的的 系系系系 综综综综 微微微微 观观观观 态态态态。vv对对对对 这这这这 些些些些 微微微微 观观观观 态态态态 进进进进 行行行行 系系系系 综综综综 平平平平 均均均均 来来来来 获获获获 得得得得 热热热热 力力力力 学学学学 性性性性 质质质质。vv只只只只对对对对系系系系统统统统中中中中粒粒粒粒子子子子的的的的位位位位置置置置抽抽抽抽样样样样,不不不不包包包包含含含含动动动动能能能能部部部部分分分分,提提提提供供供供的是系统的超额性质。的是系统的超额性质。的是系统的超额性质。的是系统的超额性质。分类
11、分类分类分类:正则系综正则系综正则系综正则系综 (Canonical MC)(NVT)Canonical MC)(NVT)巨正则系综巨正则系综巨正则系综巨正则系综(Grand Canonical MCGrand Canonical MC,GCMC)(GCMC)(VT)VT)Gibbs Gibbs系综系综系综系综 (Gibbs Ensemble MCGibbs Ensemble MC,GEMC)GEMC)第9页,本讲稿共41页2.1 正则系综正则系综MC(Canonical MC Simulationparticles N Volume VTemperature TInitial state r
12、N第10页,本讲稿共41页正则系综的配分函数正则系综的配分函数对于原子系统,位型(构型)的配分函数:对于原子系统,位型(构型)的配分函数:对于原子系统,位型(构型)的配分函数:对于原子系统,位型(构型)的配分函数:某个特定构型的发生概率为某个特定构型的发生概率为某个特定构型的发生概率为某个特定构型的发生概率为 P PNVTNVT(r)(r)第11页,本讲稿共41页 典型算法典型算法(Metropolis)vv随机选择一个原子,并且计算其当前构型随机选择一个原子,并且计算其当前构型随机选择一个原子,并且计算其当前构型随机选择一个原子,并且计算其当前构型mm的能量的能量的能量的能量 U(rU(rm
13、m).).vv尝试随机移动此原子,尝试随机移动此原子,尝试随机移动此原子,尝试随机移动此原子,r rn n=r=rm m+(ranf-0.5),(ranf-0.5),并且计算此并且计算此并且计算此并且计算此新构型新构型新构型新构型n n时的能量时的能量时的能量时的能量 U(rU(rn n).).vv接受此移动的概率为接受此移动的概率为接受此移动的概率为接受此移动的概率为 P Pmovemove 其中,其中,其中,其中,U Umnmn=U(r=U(rn n)-U(r)-U(rmm)第12页,本讲稿共41页2.2 巨正则巨正则 MC simulation(GCMC)恒定恒定恒定恒定 V,T,V,T
14、,和和和和 ,体系的粒子数发生波动;,体系的粒子数发生波动;,体系的粒子数发生波动;,体系的粒子数发生波动;可用于预测可用于预测可用于预测可用于预测 EOSEOS-typetype的性质,但主要是用来模拟吸附的性质,但主要是用来模拟吸附的性质,但主要是用来模拟吸附的性质,但主要是用来模拟吸附过程过程过程过程.第13页,本讲稿共41页巨正则系综配分函数巨正则系综配分函数对于原子系统,位型(构型)的配分函数:对于原子系统,位型(构型)的配分函数:对于原子系统,位型(构型)的配分函数:对于原子系统,位型(构型)的配分函数:其中,其中,其中,其中,s s 为标度坐标,为标度坐标,为标度坐标,为标度坐标
15、,r=Vr=V1/3 1/3。概率密度为:概率密度为:概率密度为:概率密度为:第14页,本讲稿共41页Metropolis GCMC algorithm 产产产产生生生生巨巨巨巨正正正正则则则则系系系系综综综综的的的的马马马马尔尔尔尔可可可可夫夫夫夫链链链链的的的的过过过过程程程程涉涉涉涉及及及及到到到到典典典典型型型型的的的的、三三三三种种种种不不不不同的随机移动:同的随机移动:同的随机移动:同的随机移动:vv Attempt Attempt to to move move a a particle particle(just(just likelike canonical MC)canon
16、ical MC)vv Attempt to create a particle Attempt to create a particlevv Attempt to delete a particle Attempt to delete a particle 第15页,本讲稿共41页 各种随机移动的概率:各种随机移动的概率:第16页,本讲稿共41页2.3 Gibbs Ensemble MC(GEMC)特点特点特点特点:n n尤其适用于研究纯流体或混合物的相平衡问题;尤其适用于研究纯流体或混合物的相平衡问题;尤其适用于研究纯流体或混合物的相平衡问题;尤其适用于研究纯流体或混合物的相平衡问题;n n
17、此方法不能用于涉及到非常稠密流体的相平衡问题;此方法不能用于涉及到非常稠密流体的相平衡问题;此方法不能用于涉及到非常稠密流体的相平衡问题;此方法不能用于涉及到非常稠密流体的相平衡问题;n n此方法能同时获得共存相的各自密度及其组成;此方法能同时获得共存相的各自密度及其组成;此方法能同时获得共存相的各自密度及其组成;此方法能同时获得共存相的各自密度及其组成;n n此方法避免了共存相界面的问题。此方法避免了共存相界面的问题。此方法避免了共存相界面的问题。此方法避免了共存相界面的问题。第17页,本讲稿共41页 GEMC 的配分函数的配分函数对于原子系统,位型(构型)的配分函数对于原子系统,位型(构型
18、)的配分函数对于原子系统,位型(构型)的配分函数对于原子系统,位型(构型)的配分函数 N=N1+N2 V=V1+V2 constant T V-V1V1第18页,本讲稿共41页 GEMC 模拟算法:模拟算法:vv随机选择一个粒子进行移动随机选择一个粒子进行移动(NVT).vv改变每个模拟盒子的体积,但总体改变每个模拟盒子的体积,但总体积保持不变积保持不变(NTP).vv盒子间交换粒子盒子间交换粒子(VT)。第19页,本讲稿共41页 各种随机移动的概率:各种随机移动的概率:第20页,本讲稿共41页总结与讨论总结与讨论n n系综的等效性系综的等效性系综的等效性系综的等效性采用什么系综来求体系的热力
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