《分子动力学模拟》课件.ppt

分子动力学模拟：原理、方法与应用本课件将带您深入了解分子动力学模拟的原理、方法与应用，帮助您掌握这项重要的计算化学工具。

课程概述与学习目标本课程将深入探讨分子动力学模拟的基本原理、常见方法和应用实例。学习目标包括理解分子动力学模拟的基本原理，掌握常用模拟软件包，并能够运用模拟结果分析研究问题。

分子动力学模拟的发展历史11950年代早期分子动力学模拟的雏形出现，主要用于研究简单体系的动力学行为。21960年代计算能力的提升推动了分子动力学模拟的发展，开始应用于生物大分子体系的研究。31970年代-至今随着计算机技术的飞速发展，分子动力学模拟已成为研究分子体系结构、动力学和热力学性质的重要工具。

什么是分子动力学模拟分子动力学模拟是一种计算方法，通过数值解算牛顿运动定律来模拟原子和分子在一定时间内的运动轨迹，从而预测物质的性质和行为。它是一种强有力的工具，可以用于研究各种科学问题，包括材料科学、药物设计和生物学。

分子动力学模拟的基本原理分子动力学模拟的基本原理是利用经典力学来描述原子和分子之间的相互作用，并通过数值方法求解牛顿运动方程，模拟体系中每个原子或分子的运动轨迹。

经典力学基础分子动力学模拟的基础是经典力学，即利用牛顿运动定律来描述物体的运动规律。牛顿运动定律包括牛顿第一定律（惯性定律）、牛顿第二定律（运动定律）和牛顿第三定律（作用与反作用定律）。

牛顿运动定律在分子动力学中的应用在分子动力学模拟中，牛顿第二定律被用来描述每个原子或分子的运动。根据牛顿第二定律，原子或分子的加速度等于作用于它的力除以它的质量。通过数值积分，可以求解出每个原子或分子的位置和速度随时间的变化。

势能函数概述势能函数是描述原子和分子之间相互作用的关键。它定义了原子和分子在不同距离时的相互作用能，并决定了原子和分子的运动方式。势能函数通常由键合相互作用和非键合相互作用组成。

键合相互作用键合相互作用是指原子之间形成化学键的相互作用。它通常由键长、键角和二面角势能函数来描述。

键长势能键长势能函数描述了原子之间键长变化时的能量变化。它通常是一个势阱，在平衡键长处能量最低，当键长偏离平衡键长时，能量会上升。例如，Hooke定律可以用来描述键长势能。

键角势能键角势能函数描述了三个原子之间键角变化时的能量变化。它通常也是一个势阱，在平衡键角处能量最低，当键角偏离平衡键角时，能量会上升。例如，弯曲势可以用来描述键角势能。

二面角势能二面角势能函数描述了四个原子之间二面角变化时的能量变化。它通常是一个周期性函数，在某些二面角值处能量最低，在其他二面角值处能量最高。例如，扭转势可以用来描述二面角势能。

非键合相互作用非键合相互作用是指原子之间不形成化学键，但仍然存在相互作用。它通常由范德华力和静电相互作用组成。

范德华力范德华力是一种短程力，它是由瞬时偶极矩之间的相互作用引起的。范德华力可以分为吸引力和排斥力。吸引力在原子之间距离较远时起主要作用，排斥力在原子之间距离较近时起主要作用。范德华力的具体形式可以用Lennard-Jones势来描述。

静电相互作用静电相互作用是由原子或分子之间的电荷分布差异引起的。它是一种长程力，可以分为库仑吸引力和库仑排斥力。库仑吸引力发生在带相反电荷的粒子之间，库仑排斥力发生在带相同电荷的粒子之间。

周期性边界条件为了模拟无限大的系统，分子动力学模拟通常使用周期性边界条件。周期性边界条件是指将模拟盒复制成无限多个相同的盒子，并在边界处进行连接。这样，就可以模拟一个更大的系统，而无需计算所有原子的相互作用。周期性边界条件可以有效地减少计算量，并避免边界效应。

截断半径的选择在分子动力学模拟中，为了降低计算量，通常采用截断半径来限制原子之间相互作用的计算范围。截断半径的选择需要考虑计算效率和模拟精度之间的平衡。过小的截断半径会导致模拟结果不够准确，而过大的截断半径会增加计算时间。

力场的概念力场是用来描述原子和分子之间相互作用的势能函数的集合。它包含了原子类型、键合参数和非键合参数等信息，可以用来模拟不同分子体系的结构和动力学行为。选择合适的力场是进行分子动力学模拟的关键步骤之一。

常见力场类型介绍1AMBER力场AMBER力场是生物大分子模拟中最常用的力场之一，它包含了一系列针对蛋白质、核酸和脂类等生物大分子的参数。2CHARMM力场CHARMM力场也是生物大分子模拟中广泛应用的力场，它与AMBER力场类似，并提供了一系列针对各种有机小分子和无机离子的参数。3GROMOS力场GROMOS力场是一种用于模拟生物体系和有机分子体系的力场，它具有参数化完善、计算效率高和应用广泛等优点。4OPLS力场OPLS力场主要用于模拟有机分子体系，它与其他力场相比，在预测液体的性质方面具有更高的精度。

AMBER力场AMBER力场是蛋白质、核