实验8：水分子扩散系数分子动力学模拟-(2)

1、?计算材料学?实验讲义实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数一、前言分子动力学模拟的根本思想是将物质看成是原子和分子组成的粒子系统man y-bodysystems设置初始位能模型，通过分析粒子的受力状况，计算粒子的牛顿运动方程，得到 粒子的空间运动轨迹，可以求得复杂体系的热力学参数以及结构和动力学性质。分子动力学 模拟的理论是统计力学中的各态历经假说(Ergodic Hypothesis)，即保守力学系统从任意初态开 始运动，只要时间足够长，它将经过相空间能量曲面上的一切微观运动状态，系统力学量的 系综平均等效力学量的时间平均，因此可以通过计算系综的经典运动方程来得到力学量的性 质。比方，由

2、N个粒子组成的系综的势能计算函数为：U UVDW U int(1-1)Uvdw表示粒子内和粒子之间的Van der Waals相互作用；U“t表示粒子的内部势能键角弯曲能，键伸缩能、键扭转能等；根据经典力学方程，系统中第i个粒子的受力大小为：FiiUij k UXiyiZi(1-2)那么第i个粒子的加速度可以通过牛顿第二定律得到:ai tFi tmi(1-3)由于体系有初始位能，每个粒子有初始位置和速度,那么加速度对时间进行积分，速度对时间积分就可以获得各个任意时刻粒子的速度和位置:(1-4)d2尹idt20ViViait(1-5)0ririv°t -a2i 2 i(1-6)0 0

3、.ri和V分别是系统中粒子t时刻的位置和速度，ri和Vi分别是系统中粒子初始时刻的位置和速度。依据各态历经假说，可获得任意物理量 Q的系综平均，因此得到体系的相关性质:(1-7)lim 1 'q r t dtt t 0分子动力学模拟能够计算体系的能量，粒子间的相互作用，角动量，角度以及二面角分 布，剪切粘度，结构参数，压力参数，热力学参数，弹性性质，动力学性质等。meansquare均方位移那么是表征粒子动力特性的重要参量，它是粒子位移平方的平均值displacement, MSD表达式如下:MSD R(t)r(0)2式中，括号表示平均值，n (t)表示时间t时粒子i的位置根据爱因斯坦

4、的扩散定律：式中，D为粒子的扩散系数diffusion constant。因此，当时间很长时，均方位移曲线 的斜率即为6D。因此可根据MSD曲线斜率求得粒子的扩散系数。二、实验目的1了解分子动力学方法的原理。2掌握MS软件的根本操作和分子动力学模拟的根本步骤3掌握粒子扩散系数的计算方法。三、实验内容以水分子的扩散系数计算例，展开详述。1. 回忆根本操作。2. 模型构建。1构建分子。首先构建水分子，并命名为water。2分配力场电荷。利用分子力学方法对分子结构进行优化，首先需要给构建的分子分 配力场，选择discover模块人 中的setup,出现如下对话框：选择 Energy，确定 Force

5、 field 选择为 compass 选择 Typing，点击 Calculate，给定分子每个 原子力场参数，即分子内及分子间的相互作用势；点击Automation，确认相关选项均选择No； 选择 Non-Bond，Apply settings to 选择 vdW & Coulomb， Summation method选择 Atom based, Quality 选择 Medium，点击 More， cutoff distance选；点击 Job Control 选择 My Computer。3优化分子。选择discover模块' 中的Minimizer，出现如下对话框：5I

6、jLiiXMrzoLtxon?thod 选择 Smart Mi ni mizer , Con verge nee level 选择 Medium，点击 Mi ni mize，开始进行优。优化完毕后，在Project中会出现文件名为 water Disco Min的文件夹，文件夹内名为的文件即为优化后的分子结构。如以下图所示:ft啊F»er li»Ficfel申丄皿Coki换砧Wjr»M£>ascjL«M E d| 'j4t>WW|JZ0 tS<>包必即-X 打firiiftl * St nd io 一【时砒 Di

7、乳伽Vinr. 訓扪f r x齐liit Ylw K血即 jLld恢叙Lx曲山3血1.X，當g零1k护Q.手命毬同沓沪他7'.->> -拥 N 茶 1Ul *耳：协广丿萨誰黑"IE 12| <3 0 1|> > 匸 | p 1扑儿if* 1葢阈4疋义 Group。Modify-Charges-Charge Group-Define需选中原子5构建水盒子。点击Add，然后修改添加水分子的数目 Number： 300,密度设为1盒子3. 优化体系。选择 discover模块'"中的 Minimizer，具体参数设置 Non-Bond

8、，Apply settingsto 选择 vdW & Coulomb, Summation method选择Group based,其它同分子结构优化参数设置。最后 点击Minimize，完成优化。4. 分子动力学模拟。1翻开上述优化好的3D结构，从工具栏中选择'，然后选择Dynamics，或者从菜 单上选择 Modules-Discover-Dynamics，出现如下对话框：将 dynamics time 改为 100ps, Save改为 Full, Frame output every改为 1000,点击 Run.计算需 要花费几分钟的时间，运行完毕后，出现名为water

9、Disco Dyn amics的文件夹。5. 数据分析。1丨定义set：选中所有水分子-Edit-Edit Sets-New Name 改为 water-OK2提取MSD曲线discover 模块中的 Analysis-Dynamic-Mean squared displacement-参数设置如以下图-An alyzejrTI Discover AnalysitsFluctufitionDynamicMean squared displacementDipole ruoment ai/ocorrelatior function Velocily autocar elation Unction Rotational time cofrelahcn functicn Spacetime corielaion hriction Str&$s-time correlaliori function MechanicalApply analysis tor Cunerrt structuTe ii i waterDefine.,1 ItemAnalyzeH