分子動力學

分子動力學是一門結合物理，數學和化學的綜合技術。分子動力學是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學來模擬分子體系的運動，以在由分子體系的不同狀態構成的系統中抽取樣本，從而計算體系的構型積分，並以構型積分的結果為基礎進一步計算體系的熱力學量和其他巨觀性質。

基本介紹

• 中文名：分子動力學
• 外文名：Molecular Dynamics——MD
• 1957年：基於剛球勢的分子動力學法
• 1964年：質點系-擴張(Rahman)1971年
• 1977年：約束動力學方法（Rychaert等）

簡史

1980年：恆壓條件下的動力學方法

1983年：非平衡態動力學方法(Gillan and Dixon)

1984年：恆溫條件下的動力學方法

1985年：第一原理分子動力學法

1991年：巨正則系綜的分子動力學方法(Cagin and Pettit)

基本步驟

起始構型

進行分子動力學模擬的第一步是確定起始構型，一個能量較低的起始構型是進行分子模擬的基礎，一般分子的起始構型主要來自實驗數據或量子化學計算。在確定起始構型之後要賦予構成分子的各個原子速度，這一速度是根據波爾茲曼分布隨機生成的，由於速度的分布符合波爾茲曼統計，因此在這個階段，體系的溫度是恆定的。另外，在隨機生成各個原子的運動速度之後須 進 行調整，使得體系總體在各個方向上的動量之和為零，即保證體系沒有平動位移。

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平衡相

由上 一步 確定的分子組建平衡相，在構建平衡相的時候會對構型、溫度等參數加以監控。

生產相

進入生產相之後體系中的分子和分子中的原子開始根據初始速度運動，可以想像其間會發生吸引、排斥乃至碰撞，這時就根據牛頓力學和預先給定的粒子間相互作用勢來對各個粒子的運動軌跡進行 計算 ，在這個過程中，體系總能量不變，但分子內部勢能和動能不斷相互轉化，從而 體系的 溫度也不斷變化，在整個過程中，體系會遍歷勢能面上的各個點，計算的樣本正是在這個過程中抽取的。 +

計算結果

用抽樣所得體系的各個狀態計算當時體系的勢能，進而計算構型積分。作用勢與動力學計算

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作用勢的選擇與動力學計算的關係極為密切，選擇不同的作用勢，體系的勢能面會有不同的形狀，動力學計算所得的分子運動 和 分子內部運動的軌跡也會不同，進而影響到抽樣的結果和抽樣結果的勢能計算，在計算巨觀體積和微觀成分關係的時候主要採用剛球模型的二體勢，計算系統能量，熵等關係時早期多採用Lennard-Jones、morse勢等雙體勢模型，對於金屬計算，主要採用morse勢，但是由於通過實驗擬合的對勢容易導致柯西關係，與實驗不符，因此在後來的模擬中有人提出採用EAM等多體勢模型，或者採用第一性原理計算結果通過一定的物理方法來擬合二體勢函式。但是相對於二體勢模型，多體勢往往缺乏明確的表達式，參量很多，模擬收斂速度很慢，給套用帶來很大的困難，因此在一般套用中，通過第一性原理計算結果擬合勢函式的L-J，morse等勢模型的套用仍然非常廣泛。

時間步長與約束動力學

分子動力學計算的基本思想是賦予分子體系初始運動狀態之後利用分子的自然運動在相空間中抽取樣本進行統計計算，時間步長就是抽樣的間隔，因而時間步長的選取對動力學模擬非常重要。太長的時間步長會造成分子間的激烈碰撞，體系數據溢出；太短的時間步長會降低模擬過程搜尋相空間的能力，因此一般選取的時間步長為體系各個自由度中最短運動周期的十分之一。但是通常情況下，體系各自由度中運動周期最短的是各個化學鍵的振動，而這種運動對計算某些 巨觀性質 並不產生影響，因此就產生了禁止分子內部振動或其他無關運動的約束動力學，約束動力學可以有效地增長分子動力學模擬的時間步長，提高搜尋相空間的能力。

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步驟

以下是做模擬的一般性步驟，具體的步驟和過程依賴於確定的系統或者是軟體，但這不影響我們把它當成一個入門指南：

1）首先我們需要對我們所要模擬的系統做一個簡單的評估, 三個問題是我們必須要明確的：

做什麼（what to do）為什麼做（why to do）怎么做（how to do）

2）選擇合適的模擬工具，大前提是它能夠實現你所感興趣的目標，這需要你非常謹慎的查閱文獻，看看別人用這個工具都做了些什麼，有沒有和你相關的，千萬不要做到一半才發現原來這個工具根本就不能實現你所感興趣的idea，切記！

考慮1：軟體的選擇，這通常和軟體主流使用的力場有關，而軟體本身就具體一定的偏向性，比如說，做蛋白體系，Gromacs，Amber，Namd均可；做DNA, RNA體系，首選肯定是Amber；做界面體系，Dl_POLY比較強大，另外做材料體系，Lammps會是一個不錯的選擇

考慮2：力場的選擇。力場是來描述體系中最小單元間的相互作用的，是用量化等方法計算擬合後生成的經驗式，有人會嫌它粗糙，但是它確確實實給我們模擬大系統提供了可能，只能說關注的切入點不同罷了。常見的有三類力場：全原子力場，聯合力場，粗粒化力場；當然還有所謂第一代，第二代，第三代力場的說法，這裡就不一一列舉了。

再次提醒注意：必須選擇適合於我們所關注體系和我們所感興趣的性質及現象的力場。

3）通過實驗數據或者是某些工具得到體系內的每一個分子的初始結構坐標檔案，之後，我們需要按我們的想法把這些分子按照一定的規則或是隨機的排列在一起，從而得到整個系統的初始結構，這也是我們模擬的輸入檔案。

4）結構輸入檔案得到了，我們還需要力場參數輸入檔案，也就是針對我們系統的力場檔案，這通常由所選用的力場決定，比如鍵參數和非鍵參數等勢能函式的輸入參數。

5）體系的大小通常由你所選用的box大小決定，我們必須對可行性與合理性做出評估，從而確定體系的大小，這依賴於具體的體系，這裡不細說了。6）由於初始構象可能會存在兩個原子挨的太近的情況（稱之為bad contact），所以需要在正式模擬開始的第一步進行體系能量最小化，比較常用的能量最小化有兩種，最速下降法和共軛梯度法，最速下降法是快速移除體系內應力的好方法，但是接近能量極小點時收斂比較慢，而共軛梯度法在能量極小點附近收斂相對效率高一些，所有我們一般做能量最小化都是在最速下降法最佳化完之後再用共軛梯度法最佳化，這樣做能有效的保證後續模擬的進行。

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7）以平衡態模擬為例，你需要設定適當的模擬參數，並且保證這些參數設定和力場的產生相一致，舉個簡單的例子，gromos力場是用的范德華勢雙截斷來定范德華參數的，若你也用gromos力場的話也應該用雙截斷來處理范德華相互作用。常見的模擬思路是，先在NVT下約束住你的溶質（劑）做限制性模擬，這是一個升溫的過程，當溫度達到你的設定後, 接著做NPT模擬，此過程將調整體系的壓強進而使體系密度收斂。

經過一段時間的平衡模擬，在確定系統弛豫已經完全消除之後，就可以開始取數據了。如何判斷體系達到平衡，這個問題是比較技術性的問題，簡單的講可以通過以下幾種方式，一，看能量（勢能，動能和總能）是否收斂；二，看系統的壓強，密度等等是否收斂；三看系統的RMSD是否達到你能接受的範圍，等等。

8）運行足夠長時間的模擬以確定我們所感興趣的現象或是性質能夠被觀測到，並且務必確保此現象出現的可重複性。

9）數據拿到手後，很容易通過一些可視化軟體得到軌跡動畫，但這並不能拿來發文章。真正的工作才剛剛開始——分析數據，你所感興趣的現象或性質只是表面，隱含在它們之中的機理才是文章中的主題。

套用

分子動力學可以用於NPT，NVE，NVT等系綜的計算，是一種基於牛頓力學確定論的熱力學計算方法，與蒙特卡洛法相比在巨觀性質計算上具有更高的準確度和有效性，可以廣泛套用於物理，化學，生物，材料，醫學等各個領域。

發展方向

分子動力學模擬是研究微觀世界的有效手段"其勢函式和數值算法對模擬的精度有較大影響，為了提高勢函式的精確性，將基於局部密度泛涵理論的從頭計算分子動力學， 量子化學分析參數擬合和蒙特卡洛方法相結合有望成為研究勢函式的最佳方法，隨著計算機性能的不斷提高，擺脫了經驗勢函式的從頭計算分子動力學的套用範圍將會不斷擴大，計算的精度也會不斷提高。所以，從頭計算分子動力學將會成為分子動力學模擬未來的主要發展方向。

數值算法的高速和高效也是人們一直奮鬥的目標，最近有人提出的多重時間寬度法，由於有效地減少了計算時間而可能成為分子動力學方法中較有前途的數值積分算法，分子動力學方法與其他計算方法 ，如有限單元法、 模擬淬火法、 蒙特卡羅法等的結合也將成為未來的發展方向之一。