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【学术讲坛】分子动力学介绍
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【专 业】计算物理
【研究方向】分子动力学模拟
【学术讲坛】
1、分子动力学简介：
分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。该技术不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。它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MD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。2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBM lueGene/L）。
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。在忽略核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下，分子动力学的这一种假设是可行的。所谓绝热近似也就是要求在分子动力学过程中的每一瞬间电子都处于原子结构的基态。要进行分子动力学模拟就必须知道原子间的相互作用势。
在分子动力学模拟中，我们一般采用经验势来代替原子间的相互作用势，如Lennard-Jones势 、Mores势、EAM原子嵌入势、F-S多体势。然而采用经验势必然丢失了局域电子结构之间存在的强相关作用信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质。
详细介绍请见附件。
2、分子模拟的三步法和大致分类
三步法：
第一步：建模。包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。
第二步：过程。这里就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，静态和动态以及准静态情况。
第三步：分析。这里是做学问的关键。你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、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。
有了这三步，你就可以做一个好的分子动力学专家了。推而广之，其实所谓的介观模拟，蒙特卡罗模拟、有限元模拟都是一个道理。
大致分类：
2.1电子模拟（量化计算，DFT）
量子化学计算
一般处理几个到几十个原子
常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等
密度泛函（DFT）
可以算到上百个原子
常见软件：VASP
2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）
2.2.1分子级别的模拟
分子水平的模拟
以分子的运动为主要模拟对象
采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用
一般情况下不考虑电子转移效应，因而不能准确模拟化学成键作用
发展最早
1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子
1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子
分子级别的模拟应用的领域很广
广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等领域
简单易学
2.2.2蒙特卡洛方法
蒙特卡洛是一种优化方法
通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点
随机方法
通过系综平均来求取宏观性质
模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）
优点是可以跨越时间因素，缺点是得不到有关时间信息的性质
2.3 CPMD:考虑量子效应的分子动力学
同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学）
能同时准确模拟物理作用和化学键作用
目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）
2.4颗粒方法（Coarse Grain）
将分子基团（几个或者几十上百个原子）当成单个的微粒来处理
微粒之间的作用也是通过类似于分子动力学的未能函数来描述
可以模拟更长的时间跨度
3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件
3.1 namd
http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/
主要针对与生物和化学软材料体系
优点
程序设计水平高，计算效率高，号称可以有效并行到上千个处理器
兼容多种输入和输出文件格式，有很好的分析辅助软件VMD
有很好的维护服务
不需安装
免费
缺点
万一需要自己安装的话比较麻烦
3.2 AMBER
http://amber.scripps.edu
主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子
优点
有很好的内置势能模型
自定义新模型和新分子很方便
有很完善的维护网站
缺点
计算效率不高（收敛到16个处理器），运算速度慢
$400
3.3 CHARMM
http://www.charmm.org/
主要针对生物体系，也包含部分化学体系
优点
势能模型更新很快
自定义新模型比较方便
维护服务很好
缺点
运算速度慢，计算效率低
$600
3.4 TINKER
http://dasher.wustl.edu/tinker/
一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重
优点
支持多种模型
免费
缺点
仍在开发中，某些方面还不完善
3.5 LAMMPS
http://www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html
一般性分子模拟软件
优点
兼容当前大多数的势能模型
编程水平高，计算效率高（比NAMD差，强于其他所有类似软件）
可以模拟软材料和固体物理系统
免费
缺点
维护差
3.6 DL-POLY
http://www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/
一般性分子模拟软件
优点
界面友好
计算效率高（有两个版本供选择，适合于不同大小的体系）
维护服务很好
缺点
兼容性不好
100英镑
3.7 GROMACS
http://www.gromacs.org/
主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系
优点
算法好，计算效率高
界面友好
维护服务好
免费软件
缺点
兼容性不好
3.8 Materials Explorer
多功能分子动力学软件
立足于Windows平台的多功能分子动力学软件。拥有强大的分子动力学计算及Monte Carlo软件包，是结合应用领域来研究材料工程的有力工具。Materials Explorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。Materials Explorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。Materials Explorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。
功能：
创建模型：
• MD Cell Builder ——创建非晶和有序体系
• Add MD Cell ——创建分层体系，如晶界和相界等
• Molecule Generator ——在吸附，CVD， spattering 模拟中插入新的分子到MD Cell
附加工具：
• Molecule Builder ——提供所有类型的分子的创建
• Crystal Builder ——使用空间点群和不对称单元创建晶体结构，用于无机固体及分子晶体系统的研究
• Polymer Module ——模拟不定型聚合物
• pdb → bdl 支持输入pdb格式的文件
各种灵活的模拟功能：
• NEV, NTV, NPH 和 NTP全部使用 Parrinello-Rahman-Nose 方法
• 两种积分方法: Gear (predictor-corrector) 和 Hernandez (leap-frog)
• 使用SHAKE 算法进行键约束计算
• 可以采用周期边界条件
• 研究异相系统（气-固界面，固体颗粒边界等）
• 多种分子模型：potential，rigid body，bond constraint，united atom model
• 使用Parrinello-Rahman 和 Nose 方法进行温度和压力控制分子动力学模拟
• 初始驰豫——阻止在液体和非晶模拟中的爆炸
• 外场：静电场，磁场，重力场，包括球和弹性能力校正
• 电荷确定工具——确定分子的原子电荷
• 轻松建立随机多组分液相或气相系统；
• 轻松进行分子模拟，从而研究晶体或外延生长，表面吸附和表面破坏；
• 利用复制，剪切和粘贴功能建立带有缺陷和杂质的模块系统
分析：
• Monitoring Module ——显示温度，压力，内能以及其它热力学性质与时间的2D曲线图
• 3D Atomic Configuration Module —— 显示系统的快照，轨迹和动画
• MSD Module ——从输出数据计算均方位移（MSD）。显示MSD的2D图像，以及每个分子的自扩散系数。
• PCF Module ——计算配对相关性函数和自由基分布函数，并描绘出相应的二维图
• Interference Function Module ——根据一对相关函数计算X-ray 和中子衍射。
• Voronoi Module ——计算Voronoi 多面体的数目和这个多面体的面数。利用Voronoi分析对无定形固态进行表征
• Internal Coordinate Module ——计算键长，键角，二面角，或指定分子类型的里面角，在分布图中显示分布状态。
• Velocity Auto-Correlation Function & Spectrum Module ——计算自相关函数和基于Wiener-Khintchin方法的谱
• Modulus of Elasticity Module ——计算弹性系数
4、国内部分著名分子动力学课题组简介
4.1 蒋华良 上海药物所
男，研究员，博士生导师。现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任。 蒋华良研究员 1987 年毕业于南京大学化学系，获得学士学位； 1992 年毕业于华东师范大学化学系，获得理学硕士学位； 1995 年毕业于中国科学院上海药物研究所，师从嵇汝运院士和陈凯先院士，获得理学博士学位。随后留在药物所工作，历任副研究员、研究员、博士生导师、药物发现与设计中心主任、所学术委员会副主任、副所长等职。他是国家杰出青年基金获得者，科技部 973 计划首席科学家，科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员，科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究”专家组成员，国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员
4.2 刘海燕 科大
男，教授，博士生导师。1969年出生于四川。1996年毕业于中国科学技术大学生物系，获博士学位。曾于1993-1995年作为联合培养研究生在瑞士苏黎世高等理工学院物理化学实验室学习，1998-2000年在杜克大学和北卡罗来纳大学作博士后研究。现为我校生命科学学院教授、博士生导师。在J. Am.. Chem. Soc.、J. Mol. Biol.、J. Chem. Phys.等杂志发表研究论文三十余篇。2000年入选中国科学院“引进国外杰出人才”项目。2001年获“国家杰出青年基金”资助。
4.3 王恩哥 物理所
男，1957年生，现任中国科学院物理研究所所长，研究员，博士生导师。同时任香港大学Honorary教授，以及国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）专业委员会委员，中国物理学会秘书长，中国物理学会凝聚态理论与统计物理专业委员会常委，《Materials Science Foundation》、《Journal of Computational and Theoretical Nanoscience》、《物理学报》、《化学物理学报》等杂志的编委。
4.4 高世武 物理所
男，1963年7月生于湖北。1984年毕业于南京大学物理系，1990年获中科院物理研究所博士学位。后主要在瑞典Chalmers理工大学和哥得堡大学物理系工作，现任该系教授。2004年入选中科院“百人计划”，任研究员，2005年任SF5课题组组长，2006年起担任表面物理国家重点实验室主任。
主要研究方向：
1.凝聚态理论和表面物理
研究表面和纳米材料的电子激发态结构，光学特性，光激发和电子激发的动力学过程，热电子的输运和驰豫，电子和声子间的能量转换和耗散，激光和隧道电子引起的原子和分子动力学过程。
2.计算生物物理
结合理论模型分析，分子动力学模拟，和并行计算方法，模拟计算生物分子系统，如细胞膜和离子通道结构，离子与水的相互作用和输运动力学性质，及其它们对其生物特性影响。
过去的主要工作及获得的成果：高世武研究员长期从事表面，界面和材料的基础理论和计算研究。在表面动力学、量子耗散理论、电子结构计算，以及并行计算方法等领域进行了系统深入的研究，取得了多项国际领先的研究成果。他提出的隧道电子多重散射热振动机制首次解释了单原子STM操纵机理，并成功解释和预测氧单分子分解速率的非线性关系；推广了Lindblad量子耗散理论，并应用于表面化学反应动力学过程。发展了电子结构嵌入团簇计算方法和处理大型计算的并行方法。截止2006年3月，共发表论文约50篇，20篇发表在Phys. Rev. Lett. 和Phys. Rev.上。其中SCI收录论文被引用约700次。在著名的大型国际会议（如美国物理学会三月年会和欧洲科学学会研讨会）上做邀请报告10余次。
4.5马余强 南京大学
男，1964年生,南京大学物理系教授,教育部长江计划特聘教授（软物质物理），国家杰出青年基金获得者。在国际上首次确定了质子玻璃类系统的铁电一铁电玻璃转变，表明铁电相可与玻璃相共存以及在玻色空间建立环模型,从而使路径积分可处理有玻璃有玻色子约束的一大类玻色系，建立量子XY铁磁和反铁磁模型的精确解，揭示了磁有序BOSE－EINSTEIN凝聚的关系，在改善神经网络记忆和储存方面作了细致而深入的研究。近年来仅发表在SCI国际核心杂志论文4 9篇,其中第一作者为40篇，25将发表在李政道博士所列的国际权威杂志上，论文被国际核心杂志及专著引用达80余篇，被同行认为是国际上最早提出的，有20多个国家的近百个国外同行来函索取论文。马余强先后获江苏省科技进步二等奖、国家科技三等奖等10余项成果。获南京大学第四届、第五届南京大学新星科学奖、希望之星奖等。
4.6龚新高 复旦大学
1962年出生，1982年9月-- 1985年7月，在中国科学院固体物理研究所获理学硕士，1993年5月获中国科学院固体物理研究所理学博士并获得中国科学院院长奖学金特别奖，1993年12月中国科学院固体物理研究所晋升 研究员，博士生导师。95年获得中国 科学院青年科学家奖，99年获得 国家杰出青年基金。
1988年01月--1991年04月ICTP(意大利国际理论物理中心) Research Fellow，1987年07月--1987年08月ICTP访问学者，1987、92、93、94、95年ICTP访问学者（短期），1996年03月--1996年06月巴西基础物理研究中心访问教授，1996年10月--1996年11月University of Tokyo、Keio、Tohoku、Nagoya、Kyoto访问教授，1997年07月--1998年01月Ohio State University访问教授，1998年01月--1998年01月香港中文大学物理系短期访问1998年09月--1998年11月 香港中文大学物理系短期访问，1999年02月--1999年06月Clark Atlanta University短期访问，2000年02月--2000年06月香港中文大学化学系短期访问。
分子动力学模拟交流群：http://www.blog.edu.cn/group.asp?cmd=list&gid=245
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