分子动力学模拟方法及其应用.pdf

( ) 第 32 卷 1 期 　　 安 徽 师 范 大 学 学 报 自然科学版 Vol . 32 No . 1 2 0 0 9 年 1 月 Journal of Anhui Normal Univer sit y (Natural Science) J an . 2 0 0 9 分子动力学模拟方法及其应用 杨 　萍 , 　孙益民 (安徽师范大学 化学与材料科学学院 ,安徽 芜湖 　24 1000) 摘 　要 :本文阐述了分子动力学模拟的原理 ,清楚地解释了力场 、牛顿运动方程及其数值解法 、系 综 、周期性边界条件 、积分步长等基本概念. 分析和总结了分子动力学模拟的功能、特点和应用 ,特 别是在材料科中的应用情况进行了简要概述. 关键词 :分子动力学模拟 ;力场 ;牛顿运动方程 ;周期性边界条件 ;积分步长 中图分类号 :O4 14 . 19 , O642 . 4 + 2 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :100 1 - 2443 (2009) 005 1 - 04 　　随着计算机模拟技术的发展 ,使实验上尚无法获得或很难获得的大量重要信息的获取成为可能 ,虽不能 完全代替实验但为科研工作者们提供了重要的参考 、指导实验 、验证某些理论假设 ,降低试验的盲 目性 、成本 ( 低廉广等 ,其中特别是分子动力学模拟在各个学科中都有着广泛而重要的应用. 分子动力学模拟 molecular dynamics simulation , MD) [ 1 ] 是在评估和预测材料结构和性质方面模拟原子和分子的一种物质微观领域的 重要模拟方法 ,通过计算机对原子核和电子所构成的多体体系中的微观粒子之间相互作用和运动进行模拟 , 在此期间把每一原子核视为在全部其他的原子核和电子所构成的经验势场的作用下按照牛顿定律进行运 动 ,进而得到体系中粒子的运动轨迹 ,再按照统计物理的方法计算得出物质的结构和性质等宏观性能. 简而 言之即是应用力场及根据牛顿运动力学原理所发展的一种计算机模拟方法. 　　分子动力学模拟是一种非常有效的计算机技术已成为重要的科学研究的方法之一. 作者在查阅大量相 关书籍 、资料和文献之后对分子动力学进行了的综述 ,从理论基础 、实际应用等角度进行了分析 ,希望给大家 了解 、掌握和应用分子动力学模拟提供方便. 1 　分子动力学模拟的理论基本 　　从本文引言中对分子动力学的定义可以看出要想理解什么是分子动力学模拟 ,就必须首先清楚地理解 力场 、牛顿运动方程及其数值解法等基本概念. 同时 ,在分子动力学模拟领域中 ,系综 、周期性边界条件 、积分 步长等也是经常提及的术语名词 ,对它们的正确理解也影响着对分子动力学的深入理解. 1 . 1 　力场 　力场就是势能面的表达式 ,它是分子动力学模拟的基础 ,是分子的势能与原子间距的函数 ,针对 特定的目的 ,力场分为许多不同形式 ,具有不同的适用范围和局限性 ,计算结果的可靠性与选用的力场有密 切关系. ( ) 　　在各种形式的力场中 ,L ennar dJone LJ 势能即 12 - 6 势能是 目前较为常用的势能. 其势能表达式为 : ( ) ε( σ ) 12 ( σ ) 6 ( ) 　　　　　　 U r = 4 [ / r - / r ] , 1 ( ) εσ U r 为对应于 r 值下的分子的势能; r 为原子间距; 、为势能参数. 　　在众多科学家的努力之下,