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Gaoxiguang木虫 (正式写手)
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有没有测定势函数系数的方法
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| 菜鸟，刚入门学lammps，面对各种原子间的势函数，不禁发问：有没有办法能够精确测量原子间的相互作用力，测定bond，二面角，夹角，范德华力等势能函数的系数？原子力显微镜可以吗？ |
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准不准？呵呵，这可是个大坑，现在依然可以在这个方面源源不断的灌水，否则也没法养活一大批发展力场的课题组。 说来话长。不过简单概括来讲就是：如果以实验数据（主要是热力学性质以及一些宏观物理性质）所谓参照标准，目前单纯用量子力学计算得到的力场，在很多方面都很难与实验值符合的比较好。 为什么会这样呢？大概有以下几个原因。 1. 量子力学计算方法的精确度。比较常用的一些电子结构计算方法包括DFT，Hartree-Fock, MP2, CCSD(T)等等。就精确度而言CCSD(T)最高，但计算量非常大。很多时候为了节省计算量，会选择计算量比较小的计算方法，但准确度也随之下降。 2. 多体作用，从气态（gas phase）到凝聚态(condensed phase)。当前很多all atom力场的几何结构和电荷都是在气态中用量子力学算出来的。这样做的方便之处是只需对单个分子的结构或者两个分子之间的势能面进行扫描，计算量比较小，可以使用高精度的电子结构计算方法。可是假如你在气态中获得一个分子的几何构型和电荷分布，把这个分子丢到液态里，它还会是这样的几何构型和电荷分布吗？答案是否定的，因为当多个分子聚集在一起，会涉及到复杂的量子多体效应。而通过气相中量子力学计算得到参数是无法准确描述液态中的多体效应的，用诺奖得主Phillip Anderson那句著名的话讲就是"More is different". 3. 计算资源的限制。这其实是对上面第二点的补充。既然有了上面提到的气态和凝聚态的区别，那么会很自然而然的想能否对凝聚态的体系做高精度量子力学计算，然后用得到的数据来发展力场。答案是可以，但是计算量非常大。例如对液态水，就可以做ab inito MD的模拟，用模拟得到的数据来拟合力场参数。但这个计算量实在太大，采样100 ps就要近一个月的时间，况且100 ps对于MD模拟采样显得并不够。 4. 拟合力场参数的数值方法。这是很技术性的问题，主要涉及力场应该选取什么样的函数形式以及采用什么样的数值方法去拟合力场参数。最简单的方法当然是最小二乘法，但当需要拟合多个参数的时候，有时会采用更复杂的算法，比如conjugate gradient （共轭梯度）， simplex algorithm（单纯形）, genetic algorithm(遗传算法）等等。而且，有的时候还会存在overfitting的问题。这些问题依然是回归分析和机器学习当下还在研究的问题之一。 总之，大多数人都知道单纯从量子力学计算得到的力场参数，要和实验数据准确符合还是有一定困难的。但人们对此并不斤斤计较，只要力场给出的性质在误差允许范围内就差不多了。另外，还有一种妥协的方法，就是在拟合力场参数的时候，一部分参数可以从量子力学计算获得（比如电荷），另一部分参数则可变以保证力场能够和一些实验数据相符合，这在CHARMM力场和一些水分子模型中都有体现。 |
6楼2015-06-14 13:22:47
Gaoxiguang
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