基于分子力场的分子力学和分子动力学计算

1、 实验二、基于分子力场的分子力学和分子动力学计算实验目的:(1)掌握分子力学和分子动力学的模拟方法；(2)学会使用Visualizer的各种建模和可视化工具；(3)熟悉Forcite模块的功能。实验原理：基于“Born-Oppenheimer”近似，可以将原子运动的Schrodinger方程，分别表示为电子和核运动的Schrodinger方程。直接求解核的运动方程，并将其中的能量以经验的力场函数表示，即为分子力学方法。如果将能量以力场形式表示，直接求解牛顿方程，就是分子动力学方法。H屮(R,r)=E屮(R,r)Schrodinger方程He(r;R)=E(r;R)电子运动的Schrodinge

2、r方程Hn(R)=E(R)核运动的Schrodinger方程6F-=F=mX牛顿方程ex实验内容实验1.材料表面上分子的绑定能计算；实验设备和仪器硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。软件：主要利用Materialsstudio软件包里的Visualizer和Forcite模块。5实验方法和步骤建立材料表面和分子的结构模型5实验方法和步骤建立材料表面和分子的结构模型按照所研究表面材料的晶胞参数建立晶体结构。方法是可以自己建立模型，也可以在软件自带的结构库中直接读入结构文件。如：在菜单栏选择File|Import,进入structures/metal/pure-metal文件夹，选择Fe文件。

3、按照所需要的晶面对晶体进行切割。方法是在菜单栏中打开Build|Surfaces|CleaveSurface对话框，调整晶面指数和表面厚度。默认的表面为（100），厚度为1.0，按下Cleave按钮。将表面扩大为超晶胞结构。方法是在菜单栏中选择Build|Symmetry|SuperCell调整U和V的值，按下CreateSupercell按钮。建立二维的表面环境。方法是利用BuildVacuumSlab工具建立三维的周期边界条件或利用PropertiesExplore将其模型转化为2D网格。将分子放到材料表面上。方法是在任务栏中点右键，新建一分子文件，并按分子的特点重新命名。jre1,1uu

4、j.txl白QFe(100)ForciteEne务Fe(100)-xsd驚Fea00-Calcul：22Fe(100)-txt協Fe.xsd1-*Fe(100).xsdhydrogenrXsdneip.no然后在主菜单栏中选择EditICopy；FileDIffflEditSetsFindPatternsnJUntilFi团CtrkVProjectXEditaSelectAllUndoEditAtomDisplayStyleCantRedo競CutParteXDelete忆InsertFrom,.Ctrl+-CAtomSelectionViewModifyBuildToolsStatistic

5、sMoiCtrl+ACtrl+ZIUntitled-MaterialsStudio-hydrogen.xsd*1在任务栏中双击表面分子文件，在主菜单栏选择EditIPaste。得到结构：运行分子力学和分子动力学运算在工具栏中选择Forcite模块，其对话框如下图。在Energy对话框中选择相应的力场如Dreading,Compass和Universal等步骤1：利用分子力学进行分子几何优化。在Setup对话框中，将Task项设置为GeometryOptimization,标准设为Fine。PiPi?iljstForciteGeometryOptimizaticnAlgorithm:Qualit

6、y:/Energy:7Force:Stress:Max.iterations:Externalpresaire:厂OptimizecellMotiongroups厂IgnoreinvarianttermtConvergericetoleranceWDisplacement:I-.Keepmotiongroupsrigid在Task后的More按钮中，可以设置Maxiterations步和能量最小化的算法。默认算法为Smart。按下Run按钮，开始运行计算。初步化成功：TzlAlUTEiiT-u卩VLIIV1/UUILJ.k卩启dcrIjJobCormpletedGeometryFi.1!ok-

7、1Job:E2HEY-Jef100)EdrciteSeomOpt、Oct霸2CWIN-A9Q1JProgram:Forcite4IZ?ScalaremWindowsGateway:MyComputerTueNoviStatus:sccsfully-completedUpT1ITL1Z:dT1UILp:di:dJILtSlt：初步化参数：ProjecthffX：-|uUntitledThreads:ScalarOperatingystem:WindowTaskstarted:TueNov2212:26:562011曰GFe(1003FarciteGt1-*Fe(100)-d|-?FeflOOj-

8、Calcu：!*Fe(100)Energie|IlliFe(100)ConverStatus.txt：二Fe(100),txt鵡Fe.xsd彰Fe(100)-MsdGeometryoptimizationparameterAlgorithmConvergencetolerance:EnergyForceStressDisplacementMaximumnumberofiterationsEsternalpressureMotiongroupsrigidOptimizecell:Smart:0.0001kcal/mol:0.005kcal/mol/A:0.005GPa:5e-005A:500:0

9、GPa:NO:NQ:Universal:Ewald:0.0001kcal/mol:0.5AEnergyparajneterForcefieldElectrostaticterms!；$ununationmethodAccuracyBufferwidth步骤2：针对不同要求的进行各种模拟计算将Forcite模块的Task项设置为Energy,标准设为Fine,按下Run按钮，计算Untitled申Fe(100ForciteGee松Fe(100)-d|Fea00)-Calcu!“也丫Fe(100)EnergiehFe(100)Canver*5t日tu,txt：22Fe(100)-txt申“FeCl

10、00ForciteEnFe(100)j5d|-Fe(100)-CalcuFetlOOLtxtTaskVersionBuilddateHostThreads.OperatingsystemTaskStartedEnergy5.0Oct22-2009WIN-A901JQS5MH9ScalarWindowTueNov22EnergyparajneteraForcefieldElectrostatictermsiSwiunationmethod12:291362011:Universal:Ewald0JobCompletedXWindowHelpJob:IC2HJI-Fe(100)ForciteEne

11、rgyzQ哆|金Program:ForciteofGatewayMyComputerStatus:.successfully-completedTTOject计算成功：tiufferwidthCurrentstructureE-0.000772：kcal/molTotalenergyE表面=0.000772kcal/mol，计算分子能量：计算成功：JU*U.J.二Jh*丫丄JLJ丄LCurrentstructureTotalenergy:0.485710kcal/molC：?in十t-彳hii十iririF，+n+n+-alpriprcirIrr-al/mril、分子=0.485710kcal

12、/mol三，计算总能量计算成功：Projecthrfx.uForcefieldUniversalElectrostatictermsr：SununationmethodEwaldAccuracy0.0001kcal/molBufferwidth0.5AvanderWaalstermsjfSununationmethodEwaldAccuracy;0.0001kcal/molRepulsivecutoff6ASufferwidth0.5ACurrentstructureTotalenergy-0.06465kcal/mol:Contributionstotoctalenergy(kcal/mol

13、):Valenceenergydiag.terms)0.486Bond0.486Angle0.000Torsion0.000Inversion0.000Valenceenergy(crossterms7-0.000Stretch-Stretoh0.000rr.L.L、L、n|Untitled白Fe(100)ForciteGeoFe(100).xsd|FeflOO)-Calcul：-lFe(100)EnergieH-IISiFe(100)Conven:Status.txt：二Fe(100,txtFe(100)ForcrteEne鶴Fe(100).xsd1-Fe(100)-Calcul二Fe(100),txt勺hydrogenForciteEruhydrogen.xsd:聚hydrogen-Calcl:hydrogen.txt-Fe(1003ForciteEnL強Fe(100).xsd；-gtFe(100)-匚Ic