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文档简介

1、课程学习报告: Molecular Dynamics(分子动力学) 学生:Zws 本节课汇报分四个内容 1 Molecular Dynamics(MD) 简介 2 统计力学基础知识 3 力场基础知识 4 分子间势的发展 一 MD 简介 1 分子模拟 分子模拟:即根据物理和化学基本原理,利用计算机代替试验测量,获 取相关物理和化学信息的方法。 分子模拟作用: 1 计算材料结构 ; 2 计算材料性质; 3 预测材料行为; 4 验证试验结果; 5 从微观角度认识材料 分子模拟的优势 1 降低成本 2 增进安全性 3 实现通常条件下难以或无法进行的实验 超低温 超高压 此外,分子模拟还具有模拟较快或较

2、慢反应,并 帮助人们从微观角度认识材料的作用。 2 分子模拟原理 量子力学是利用波函数来研究微观粒子运动的一个物理学分支, 主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的性质、 结构的基本理论,量子力学与相对论一起构成现代物理基础。 正是量子力学的出现,许多现象才得以被真正解释,基本上所有 物理间的相互作用都可以用量子力学来描述。 第一原理方法(First Principle):以量子力学为基础,不借助于经 验(实验)参数的方法。 最为普遍的量子力学方法为从头计算法(ab initio method)。 量子力学中一切电子的行为以其波函数表示。根据海森伯的测不 准原理,量子力学仅能计算

3、区间内电子出现的概率,其概率正比于 波函数绝对值的平方。欲得到电子的波函数,需求解薛定谔方程: HE 式中, 为薛定谔算子,为电子波函数,E为能量。H 虽然基于量子力学的从头算(ab initio)非常精确,但计算效率非 常低,所计算的系统通常不超过100个原子。因此,量子力学的方法适 用于简单的分子或电子数量较少的体系。而对于生化分子,聚合物等 含大量原子及电子的系统,量子力学方法很难求解。 为此,科学家们发展了分子模拟方法。 分子力场:根据波恩-奥本海默近似原理,计算中将电子运动忽略, 将系统的能量视为原子核位置的函数,即分子的能量随分子构型的变 化而变化,描述分子能量和结构之间的函数就称

4、为分子力场函数。 注:波恩-奥本海默近似:因原子核质量比电子大很多,近似认为 电子运动状态与核无关,从而将求解整个体系的波函数的复杂过程分 解为求解电子波函数和求解原子核波函数两个相对简单得多的过程。 分子力场函数中的参数来自于量子力学计算或实验方法得到,相 比于精确的量子力学从头算方法(ab initio),虽然有些粗糙,但计算 量要小数十倍,而且在适当范围内,分子力场的计算结果与量子力学 计算结果接近,故对大分子复杂体系而言,分子力场方法是一套行之 有效的方法。 分子力学,分子动力学,蒙特卡洛方法等就是基于分子力场的分 子模拟方法。 蒙特卡洛(MC)方法:通过系统中质点的随机运动,结合统计力 学的概率分配原理,来得到体系的统计及热力学性质。 优点:不涉及时间时间效应,可以模拟平衡态。 缺点:只能计算统计平均值,不能得到动态信息。 而且粒子随 机运动不符合物理学运动原理。 分子动力学(MD)方法:是应用分子力场及根据牛顿运动原理 所发展的计算方法。 优点:系统中粒子运动有正确物理依据,准确性高,可以获得 系统动态性质。 缺点:无法模拟时间较长的运动问题。 二 统计力学基础知识 统计力学:根据对物质微观结构及微观粒子相互作用的认识,用概率统 计的方法,认为表征系统宏观性质的宏观量是大量微观粒子的统计平均值。 统计

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