分子力学和分子动力学.ppt

关于分子力学和分子动力学第1页，共34页，星期日，2025年，2月5日学习目标了解计算化学的主要方法和基本概念能够读懂相关领域的文献，了解常见分子模拟软件及使用掌握基本的计算化学研究思路和方法。了解分子模拟能干什么，我们可以作那些工作，作到什么精度，为在自己的研究领域开展分子模拟方面的研究打一个基础。第2页，共34页，星期日，2025年，2月5日分子模拟的双重性质分子模拟具有理论和实验的双重性质分子模拟不能完全取代实验理论实验模拟理论的正确性模拟参数的正确性模拟方法的选择理论的更新第3页，共34页，星期日，2025年，2月5日系综系综（ensemble）代表一大群相类似的体系的集合。对一类相同性质的体系，其微观状态（比如每个粒子的位置和速度）仍然可以大不相同。（实际上，对于一个宏观体系，所有可能的微观状态数是天文数字。）统计物理的一个基本假设（各态历经假设）是：对于一个处于平衡的体系，物理量的时间平均，等于对对应系综里所有体系进行平均的结果。体系的平衡态的物理性质可以对不同的微观状态求和来得到。系综的概念是由约西亚·威拉德·吉布斯（J.WillardGibbs）在1878年提出的。第4页，共34页，星期日，2025年，2月5日常用系综微正则系综(microcanonicalensemble)正则系综(canonicalensemble)巨正则系综(grandcanonicalensemble)等温等压系综(isothermal-isobaricensemble)第5页，共34页，星期日，2025年，2月5日常用系综微正则系综(microcanonicalensemble)：系综里的每个体系具有相同的能量（通常每个体系的粒子数和体积也是相同的）。正则系综(canonicalensemble)：系综里的每个体系都可以和其他体系交换能量（每个体系的粒子数和体积仍然是固定且相同的），但是系综里所有体系的能量总和是固定的。系综内各体系有相同的温度。巨正则系综(grandcanonicalensemble)：正则系综的推广，每个体系都可以和其他体系交换能量和粒子，但系综内各体系的能量总和以及粒子数总和都是固定的。（系综内各体系的体积相同。）系综内各个体系有相同的温度和化学势。等温等压系综(isothermal-isobaricensemble)：正则系综的推广，体系间可交换能量和体积，但能量总和以及体积总和都是固定的。（系综内各体系有相同的粒子数。）正如它的名字，系综内各个体系有相同的温度和压强。第6页，共34页，星期日，2025年，2月5日分子动力学方法工作框图给定t时刻的坐标和速度以及其他动力学信息，那么就可计算出t＋Δt时刻的坐标和速度。第7页，共34页，星期日，2025年，2月5日程序构成方式①输入指定运算条件的参数（初始温度，粒子数，密度，时间步长）；②体系初始化（选定初始坐标和初始速度）；③计算作用在所有粒子上的力；④解牛顿运动方程（第③和第④步构成了模拟的核心，重复这两步，直到体系的演化到指定的时间）；⑤计算并输出物理量的平均值，完成模拟。第8页，共34页，星期日，2025年，2月5日积分算法优劣的判据分子动力学中一个好的积分算法的判据主要包括：①计算速度快；②需要较小的计算机内存；③允许使用较长的时间步长；④表现出较好的能量守恒。第9页，共34页，星期日，2025年，2月5日分子动力学的适用范围分子动力学方法只考虑多体系统中原子核的运动，而电子的运动不予考虑，量子效应忽略。经典近似在很宽的材料体系都较精确；但对于涉及电荷重新分布的化学反应、键的形成与断裂、解离、极化以及金属离子的化学键都不适用，此时需要使用量子力学方法。经典分子动力学方法（MD）也不适用于低温，因为量子物理给出的离散能级之间的能隙比体系的热能大，体系被限制在一个或几个低能态中。当温度升高或与运动相关的频率降低（有较长的时间标度）时，离散的能级描述变得不重要，在这样的条件下，更高的能级可以用热激发描述。第10页，共34页，星期日，2025年，2月5日电子运动具有更高的特征频率，必须用量子力学以及量子／经典理论联合处理。这些技术近年来取得了很大进步。在这些方法中，体系中化学反应部分用量子理论处理，而其他部分用经典模型处理。QM/MM第11页，共34页，星期日，2025年，2月5日分子力学、分子动力学方法及其应用MolecularMechanics/MolecularDynamics一、MM、MD理论基础二、MM