分子模拟论文(终稿).docx

北京化工大学Lennard-Jones体系的分子动力学模拟学校：北京化工大学 学院：化学工程学院 专业：化学工程与工艺 学号：2010013017 姓名：闵 翔 班级：化工1001 老师：黄 世 萍 日期：2013年4月26日 Lennard-Jones体系的分子动力学模拟摘要：分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。本论文论述Lennard-Jones 体系的Molecular Dynamics 模拟的程序研究不同温度下的基本特性，分子模型图的变化，并得到压力，径向分布函数，扩散系数，平均势能随温度变化的影响。关键词： Lennard-Jones流体 分子动力学 平均势能 扩散系数 1 概论与基本原理1.1 分子动力学分子动力学模拟方法不仅能获得物质的平衡性质，也能得到其输运特性。它通过求解体系中粒子的运动方程获得粒子的运动速度和运动轨迹，并经统计平均求得物质的宏观特性。分子模拟步骤：第一步是确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算。 在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须 进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移进入平衡相，由上一步 确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。 进入生产相进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算 。 1.2 作用势与动力学计算作用势的选择与动力学计算的关系极为密切，选择不同的作用势，体系的势能面会有不同的形状，动力学计算所得的分子运动 和 分子内部运动的轨迹也会不同，进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算，在计算宏观体积和微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势，计算系统能量，熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型。陈刘平,韩世军:液体分子自扩散系数的预测J,杭州:浙江大学化学系,310027.1.3 时间与步长：时间步长与约束动力学分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。1.4 相关变量这些热力学量关于平均值的分布应该是高斯分布，即发现一个特定值 A 的几率为物性参量可以根据原子的坐标和速度通过统计处理得出 ， 在统计物理中可以利用系综微观量的统计平均值来计算物性参量值 ，即可以根据系统的平均动能得到系统的平均温度。在正则系综 （NVT ）中 ， 体系的温度为一常数 ； 然而在微正则系综中 ， 温度将发生涨落。温度是体系最基本的热力学量 ， 它直接与系统的动能有关 ，杨小震:分子模拟与高分子材料M,北京:科学出版社,2003压力通常通过虚功原理模拟得到。虚功定义为所有粒子坐标与作用在粒子上的力的乘积的和，通常写为1.5 径向分布函数（radial distribution function）是描述系统结构的很有用的方法 ， 特别是对于液体。得到计算式1.6 扩散系数：物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一。根据斐克定律，扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，即 可以看出，质量扩散系数D和动量扩散系数及热量扩散系数具有相同的单位（m2/s）或（cm2/s），扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。2 方法原程序中，给定的分析物质为氩，但考虑到氩的熔沸点较低，在零下183即成为气体，因此改变相关分析物质，考虑到氙同属于稀有气体，而且氙具有较高的熔沸点，为零下111，而且三相点为-70，经查找可得和，分别为LJ势能的能量和尺寸参数。模拟体系由256个分子组成。模拟对象为三维空间内的500 个氙原子,采用正则系统(N ,V ,T 不变) ,三个方向均采用周期性边界条件,利用Verlet 算法求解粒子运动方程,改变sigma Lenard-Jones parameters，epsilon Lenard-Jones parameters 和mess，近表法计算粒子间作用力, 取截断半径2. 5,邻近表半径0. 3,每5 个步长更新一次邻近表,模拟总步数50 000 ,前10 000 步采用温度P速度调节使系统达到平衡,后面步用于统计计算流体各种性质，time-step为2fs，径向分布函数取100个点。利用MD编程进行模拟，分别改变T=25K,50K,75K,100K,125K,150K,175K,200K运行程序，得到在不同温度下的压力，分子模型，径向分布数据，扩散系数，平均势能。将所得到的径向分布数据输入origin软件进行绘图分析。将得到的分子模型用Rasmol软件打开进行分子模拟。将所得到的扩散系数以及平均势能数值输入excel进行作图分析。对所得到的数据及作图进行结果分析3 结果（查的和）3.1 不同温度的散点图对不同温度下分别截取一个随机的系统构型，并用VMD/Rasmol绘制图像。陈刘平,韩世军:液体分子自扩散系数的预测J,杭州:浙江大学化学系,310027. 25K 50K75K 100K125K 150K 175K 200K33.2 不同温度下g(r)的曲线图在不同温度点计算g(r),并绘制在同一幅图上进行比较。3.3 平均势能随温度变化的曲线可经计算得到每个温度下的平均势能，进行算术平均得到如下数据：温度（K）255075100125150175200平均势能（kcal/mol）-982.94-962.19-945.43-924.67-907.91-889.16-868.40-851.64画图得到平均势能随温度变化曲线：y=0.7503x-1000.73.4 不同温度下扩散系数的曲线计算不同温度下的自扩散系数，并绘制随温度变化的曲线，得到不同温度下扩散系数的数值：温度（K）扩散系数（cm2/s）250.0178910-6502.54510-6752.81510-61001.88610-612512.8210-615023.9510-61757.08210-62002.97110-6利用这些数值画出扩散系数随温度变化曲线x10-64 结果分析总结1 分子动力学模拟方法可以计算和确定稀有气体分子在低温下成固体或液体状态下的扩散系数，势能动能。2 由随机的系统构型得到，随着温度的升高，分子扩散程度增强，因为分子扩散系数随温度的上升而上升，所以扩散效果增强3 向分布函数的极大值随温度的升高而降低，同样表明了随着温度的上升，分子扩散效果越好，处在不同状态的分子更加平均4 均势能随温度的升高而升高且呈线性关系5 散系数随温度先上升后下降存在极值点，由于最后得到的扩散系数是随机自扩散系数，因此表明了不同温度下特定状态的扩散系数5 感想通过学习分子模拟这门课程，使我了解了分子动力学模拟在一些领域有特殊的应用，在药物设计领域，可用于研究病毒、药物的作用机理等；在生物科学领域，可用于表征蛋白质的多级结构与性质；在材料学领域，可用于研究结构与力学性能、材料的优化设计等；在化学领域，可用于研究表面催化及机理等。同时锻炼了了我使用计算机处理相关问题的能力，将所得的结果进行分析计算，为分子的理论研究提供理论和数据支持。1 看完分子模拟从算法到应用那本书的第四章，没有全看完，使我对对分子动力学模拟过程有一个了解。2 按照书的过程做个Ar的NVE，其实Ar和离子晶体以及其它的任何材料的差别仅仅是势函数的问题，虽然由势函数带来了一些问题，但是这些都不是本质问题。3 从初始化的原子数，原子位置，初始速度，时间步长，初始温度等等这些初始化结束了以后，选择一个简单的积分算法，如6阶的Gear猜测校正，不要控温控压，就是一个简单的NVE，不要考虑任何的提高效率的邻位算法，因为这个时候我们可以选择555的超原胞，总共的原子数也就500个，不需要考虑邻位算法。4 开始循环计算：猜测-计算原子的力和能量-校正5 输出能量，扩散系数等值，进行数据分析。