第三章-分子动力学基础与分子动力学模拟课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《第三章-分子动力学基础与分子动力学模拟课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第三 分子 动力学 基础 模拟 课件
- 资源描述:
-
1、Molecular Dynamics分子分子动力学动力学 基础基础Chapter 34学时分子动力学?分子动力学?分子动力学是一门结合物理,数学和化学分子动力学是一门结合物理,数学和化学,研究处于原子、分子状态的固体或液体的微研究处于原子、分子状态的固体或液体的微观动力学特性的科学,一种计算机模拟实验观动力学特性的科学,一种计算机模拟实验方法,是研究凝聚态系统的有力工具。方法,是研究凝聚态系统的有力工具。分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽以
2、在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。学量和其他宏观性质。Molecular Dynamics 是从统计物理学发展起来的一种描述纳米科技这类处于原子、是从统计物理学发展起来的一种描述纳米科技这类处于原子、分子状态的固体或液体的动力学特性的微观现象的有效方法。分子状态的固体或液体的动力学特性的微观现象的有效方法。分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述,这种分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述,这种描叙可以牛顿方
3、程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描描叙可以牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述,也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。在忽略述,也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。在忽略核子的量子效应和核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下,分子动绝热近似下,分子动力学的这一种假设是可行的。力学的这一种假设是可行的。是对理论计算和实验的有力补充,广泛应用于材料科学、生是对理论计算和实验的有力补充,广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。经典物物理和药物设计等。经典MD模拟,其系统规模在一般的计模拟,其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子,模拟时间为纳秒量级。
4、算机上也可达到数万个原子,模拟时间为纳秒量级。分子动力学模拟?分子动力学模拟?Molecular Dynamics3.1分子动力学的基本原理及特点分子动力学模拟的分子动力学模拟的基本原理基本原理:建立一个粒子系统来模拟所研究的微观现象,建立一个粒子系统来模拟所研究的微观现象,系统中各粒子之间的相互作用根据量子力学来系统中各粒子之间的相互作用根据量子力学来确定。确定。对符合经典牛顿力学规律的大量粒子系统,通对符合经典牛顿力学规律的大量粒子系统,通过粒子动力学方程组的数值求解,决定各粒子过粒子动力学方程组的数值求解,决定各粒子在相空间的运动规律和轨迹。在相空间的运动规律和轨迹。然后按照统计物理原理
5、得出该系统相应的宏观然后按照统计物理原理得出该系统相应的宏观物理特性。物理特性。在分子动力学模拟中,通常假设分子的动力学行为在分子动力学模拟中,通常假设分子的动力学行为遵循经典运动方程,这在典型分子的遵循经典运动方程,这在典型分子的De Broglie 波长波长远小于下例公式表示的分子平均距离的平移运动中远小于下例公式表示的分子平均距离的平移运动中确实是一种满意的近似。确实是一种满意的近似。3121)/(3NVTmkhB(3-1)h:普朗克常数;普朗克常数;m:粒子质量;粒子质量;V:体积;体积;N:颗粒数。颗粒数。一、研究内容一、研究内容:l 分子动力学是在原子、分子水平上求解多体问分子动力
6、学是在原子、分子水平上求解多体问题的重要的计算机模拟方法,可以预测纳米尺题的重要的计算机模拟方法,可以预测纳米尺度上的材料动力学特性。度上的材料动力学特性。l 通过求解所有粒子的运动方程,分子动力学方通过求解所有粒子的运动方程,分子动力学方法可以用于模拟与原子运动路径相关的基本过法可以用于模拟与原子运动路径相关的基本过程。程。l 在分子动力学中,粒子的运动行为是通过经典在分子动力学中,粒子的运动行为是通过经典的的NewtonNewton运动方程所描述。运动方程所描述。分子动力学理论特点:分子动力学理论特点:能有效进行微观动态过程分析;能有效进行微观动态过程分析;计算的空间尺度可达到计算的空间尺
7、度可达到1010-9-9 m m;计算的时间尺度可达到计算的时间尺度可达到1010-15-15 s s;可以通过分子动力学理论可以通过分子动力学理论建立起宏观与微观之建立起宏观与微观之间的桥梁间的桥梁。仍存在的主要问题:v 真实所含微观粒子数量巨大,一般高达真实所含微观粒子数量巨大,一般高达10102323数量级;数量级;v 对具有枝链和环状结构等结构形式复杂的柔性分子的模拟计算还对具有枝链和环状结构等结构形式复杂的柔性分子的模拟计算还很困难。很困难。v 符合热力学极限的宏观系统由几千万亿亿个分子或原子组成(一符合热力学极限的宏观系统由几千万亿亿个分子或原子组成(一般高达般高达10102323
8、数量级),所含微观粒子数量巨大。实际计算中,分子数量级),所含微观粒子数量巨大。实际计算中,分子动力学方法受到有限观测时间和有限系统尺寸的限制。由于受计动力学方法受到有限观测时间和有限系统尺寸的限制。由于受计算机运算速度和内存空间的限制,计算机模拟允许的微观体系尺算机运算速度和内存空间的限制,计算机模拟允许的微观体系尺寸要比热力学极限小很多。寸要比热力学极限小很多。一粒黄豆那么大的水滴也含有约一粒黄豆那么大的水滴也含有约10102020个水分子,这数目对于目前计个水分子,这数目对于目前计算机来说实在是太大了,用当前最快速的计算机模拟它,恐怕也算机来说实在是太大了,用当前最快速的计算机模拟它,恐
9、怕也要运行几个世纪。计算机运算能力对分子数目的限制,出现的问要运行几个世纪。计算机运算能力对分子数目的限制,出现的问题是小样本系统的表面效应会掩盖其体效应,小系统的模拟不能题是小样本系统的表面效应会掩盖其体效应,小系统的模拟不能完全反映真实系统的性质和行为。完全反映真实系统的性质和行为。克服这一困难的办法:克服这一困难的办法:是对所选定的模拟单元施加周期性边界条件。是对所选定的模拟单元施加周期性边界条件。图中标有阴影的单元是选定体积为图中标有阴影的单元是选定体积为V V(边长为(边长为L)L)的立方体、内含的立方体、内含N N个粒个粒子的模拟单元。子的模拟单元。何谓周期性边界?何谓周期性边界?
10、就是在它周围想象存在着就是在它周围想象存在着无穷多个与模拟单元完全相同的单元,它们无穷多个与模拟单元完全相同的单元,它们像晶体元胞一样充满整个空间。每个单元内像晶体元胞一样充满整个空间。每个单元内部有数量相等、分布也相同的粒子,且相应部有数量相等、分布也相同的粒子,且相应的粒子具有相同的速度。上述周期性的安排,的粒子具有相同的速度。上述周期性的安排,使得一个粒子从单元的一面离开,必从相对使得一个粒子从单元的一面离开,必从相对的一面以同样的速度进入该单元,从而维持的一面以同样的速度进入该单元,从而维持各单元内粒子数不变。周期性边界条件的引各单元内粒子数不变。周期性边界条件的引入,使得每个小单元的
11、情况完全等价,但我入,使得每个小单元的情况完全等价,但我们面对的仍是一个无限系统,计算中只需处们面对的仍是一个无限系统,计算中只需处理和存储一个小单元的数据就够了,而不必理和存储一个小单元的数据就够了,而不必计算周期性边界条件带来的这个无限系统。计算周期性边界条件带来的这个无限系统。因此,因此,周期性边界条件的引入,使模拟运算周期性边界条件的引入,使模拟运算工作摆脱了巨大分子数的困境,并成功消除工作摆脱了巨大分子数的困境,并成功消除了为减小粒子数而带来的的有限尺寸效应了为减小粒子数而带来的的有限尺寸效应。当然边界条件的引入又会影响体系的某些性当然边界条件的引入又会影响体系的某些性质,但系统的有
12、限尺寸也有其好处,它使我质,但系统的有限尺寸也有其好处,它使我们有可能计算二阶的热力学性质。们有可能计算二阶的热力学性质。周期性边界条件周期性边界条件2.分子动力学模拟的基本步骤 在计算机上对分子系统的在计算机上对分子系统的MD模拟的实际步骤可以分为:模拟的实际步骤可以分为:首先是设定模拟所采用的模型;首先是设定模拟所采用的模型;包括几何建模,物理建模,化学建模,力学建模。包括几何建模,物理建模,化学建模,力学建模。给定初始条件;给定初始条件;初始条件的设定,这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。初始条件的设定,这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。计算计算 是体现所谓分子动力学特点的地方,包括对
13、运动方程的积分的有效算是体现所谓分子动力学特点的地方,包括对运动方程的积分的有效算法。对实际的过程的模拟算法,关键是分清楚平衡和非平衡,静态和法。对实际的过程的模拟算法,关键是分清楚平衡和非平衡,静态和动态以及准静态情况。动态以及准静态情况。分析分析 需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征,说明你的问题的实质需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征,说明你的问题的实质和结果,因此关键是统计、平均、定义、计算,比如温度、体积、压和结果,因此关键是统计、平均、定义、计算,比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。模拟模型的设定 假定两个
展开阅读全文