请教分子力学与分子动力学的区别 - 分子模拟 - MS

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ChemiAndy

木虫 (正式写手)

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cenwanglai(金币+5): 2011-09-15 11:18:10
cenwanglai(模拟EPI+1): 2011-09-15 11:18:27
shengxiang(金币+8): 2011-09-17 21:55:57

不同意楼上的说法。简单说，分子动力学是一种基于统计热力学的分子模拟的采样方法；任何一种模拟方法都需要计算能量，而分子力学则是计算能量的方法之一，核心思想是把分子看成是弹簧连成的小球；基于分子力学的模拟叫经典分子模拟。你还可以用量子力学计算能量去跑动力学，那叫量子分子动力学模拟。量子力学的核心思想是把分子看成是由电子云连接起来的原子核。所以量子力学又叫电子结构计算。

那你会问，采样和计算能量的区别：采样就像你要去另外一个城市，这是目的；而计算能量的不同方法好比你坐汽车或坐飞机。

为什么要采样呢？采样，Sampling，是研究材料性质，或一种变化过程的方法，它基于这样一种想法，即物质呈现的宏观性质，是由许多微观状态决定的；不同的微观状态，有不同的体积，能量，压强等性质；体系，即分子原子的集合，在不同的状态（位置）之间来回快速切换；实验测量的体积，密度等性质，其实是所有这些微观状态的平均值。只要你能模拟到许多微观状态，你就能通过求平均获得宏观的测量值，去和实验值比较。这其实是平衡态统计热力学的核心思想。此外还有非平衡态的统计热力学。核心思想都一样：采样！即尽可能找到那些最可能出现的微观状态，然后统计求平均。

怎么采？你搭了一个盒子，一个初始构象，怎么驱动原子分子在设定的外界条件比如温度，压力下访问一些可能的状态？这主要有2种方法：MD,或MC。MD,动力学，按照牛顿老人家的说法，原子分子也就是些球球，它们在力的作用下会运动，那好，我计算原子的每一步的位置，受力，加速度，位移，让它自动去跑，这叫模仿自然演进。l另外一种采样方法，MC，蒙特卡洛，是随机动力学方法，不考虑受力，原子的移动是随机的，至于移动的合理不合理，那由下一步的能量决定。能量低，肯定合理，接受；能量高，高多少？越高越不合理，那好，我根据能量高多少来决定接受的概率。由此可见，MD和MC同属于采样方法，但核心思想有较大差别。它们唯一的共同点是，需要计算每一步的能量。（分子动力学MD中计算力，而原子受力是体系能量对原子坐标的一阶导。记住这句话。）

正如上面所说，计算能量可以用分子力学，也可以用量子力学。注意，用量子力学不等于考虑了原子的量子效应。因为分子动力学本质上是依照牛顿经典力学方法，所以，所谓量子分子动力学，其模拟结果也是在经典力学极限下的模拟。“量子力学”中的“量子”，只处理电子的量子效应，与原子，分子的量子效应没有一毛钱的关系。