试验四：介观动力学模拟

1、计算材料学实验讲义粗粒度模拟实验名称：介观动力学模拟 一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁， 是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。由于介观模拟能够模拟的空间尺度 （纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙） 更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子 稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分 子相关的内容。目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法（dissipative particle dyna

2、mics, DPD）,它是根据 Hoogerbruggef口Koelman提出的一种针对柔性（soft）球 模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质； 元胞动力学方法（CDS）,基于重整化群理论，对时间相关的 Ginzburg-Landau方 程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn）,应用于高分子体系， 建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗 之万方程（Langevin s equatio冰描述体系演化的动力学。（1） MS-Mesocite 简

3、介MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究 的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态 下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MS Mesocite的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场（Forcefield）方法 一比如MS Martini力场一来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、 和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，

4、径向分布函数，二面角分 布，均方根位移等。同时，您还可以使用力场编辑工具对MS Mesocite的力场进行编辑，以获得满足特殊要求的力场，从而拓展了MS Mesocite行编辑，以获得满足特殊要求的力场，从而拓展了MS Mesocite的应用范围。应用mesocite进行动力学模拟时，最主要的是得到精确的力场。Martini力场，是由Marrink提出的，可以应用于生物分子体系。 Martin力场中包括四种主 要的力场类型：极性（polar-P）、非极性（apolar-C）、无极性（nonpolar-N）、带 电（charged-Q。每种力场类型又分为若干子类型，极性和非极性根据极性高低 下分

5、有五种类型（用下坐标1-5表示），无极性和带电的 更具氢键结合能力分为 四种类型（d-氢键供体，a氢键受体，da-两个都有，o-都没有），这样使得Martini 力场能够更加精确的描述体系性质，应用于更多不同的有机分子体系。 二、实验目的1、了解介观模拟方法及应用领域2、了解Martini力场的3、掌握mesocite基本原理4、掌握mesocite模块的基本操作 三、实验内容以下以介观动力学模拟脂质双分子层为例，熟悉mesocite的基本操作。1、打开MS,选择created new project,键入CG-bilayer作为工程的名称，点击 OK o本实例是在软件所有参数在默认的情况下进

6、行的，选择Tools-SettingsOrganizer,选中 CG-bilayer,点击 Reset- -E 2、建脂质分子，建模过程要用到 Mesostructure toolbar竞 置ES ,如在 工具栏中没有此建模工具，点击菜单栏中的 view-toolbar-mesostructure,调出此 建模工具。（1）点击Bead Types按钮 黑,打开Bead Types对话框。点击 Properties 按钮，打开 Bead Type Properties 对话框，点击 Defaults 按钮,设置 Mass为 72, Radius 为 2.35,关闭 Bead Type Defau

7、lts 和 Bead Type Properties 对话框。在Bead Types对话框中，定义一下珠子类型：C、GL、PO和NC,关闭对话框。（2）点击 Mesomolecule按钮独,打开 Build Mesomolecule 对话框。定义粗粒化分子，依次选择 4个C、1个GL、1个PO、1个GL和4个C, 确定不选 Randomize order within repeat unit 点击 Build 按钮。在Mesomolecule.xsd文件中左击 PO珠子，删除Build Mesomolecule对话框 中所有的珠子。选中 Add to branch points, 点击 mor

8、e按钮，打开 Mesomolecule Branches 对话框。设置 Number of branches to attach 1,关闭对话框。在Build Mesomolecule对话框中选择1个NC。点击Build按钮。(在显示面 板中右击，选择Label,打开label对话框，在properties一栏中选择BeadTypeName 点击Apply,可以检测建立的粗粒化分子是不是正确，可以对比下图。(3)关闭 Build Mesomolecule 对话框。在 Project Explorer,把 Mesomolecule.xsd 文件名改为DPPC.xsdo我们得到以下粗粒化分子结构：

9、3、更改Martini力场，分配力场，优化脂质分子(1)选择 Modules -Mesocite - Forcefield Manager或点击 Mesocite tool龌，选择Forcefield Manage,选择 MS Martini，点击,打开力场文件。在 Project Explorer 中，把文件名改为MSMartiniCIS.off。(2)打开 MSMartiniCIS.off 文件，点击 Interactions。在 Show interaction 下拉选 项中选择Angle Bendo在空白框中，设置 Fi和Fk到Na以及Fj到Qa。改变 Functional Form

10、为 Cosine Harmonic设置 TO 为 120, KO 为 10.8。保存并关闭力 场文件。(3)选择 Modules (3)选择 Modules | Mesocite | Calculation 或点击Mesocite tools选择Calculation;打开Mesocite Calculation对话框，点击Energy,在Forcefield的下拉选项中 选择 Browse.,在 Choose Forcefield对话框中选择 MSMartiniCIS.off。(4)打开DPPC.xsd文件。按下ALT键，双击任意C类型珠子，选中所有的 C 类型珠子。在 Mesocite C

11、alculation对话框中，点击 More打开 Mesocite Proparationoptions对话框,选择 C1,点击Assign按钮重复此步，为GL、PO、NC分配力场，分配类型如下表所示:BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0选择PO珠子，在Properties Explorer中，设置Charge为-1,同样把NC设 置为1。(5)在 Mesocite Calculation 对话框中，点击 Setup,改变 Task 为 GeometryOptimization。点击Run按钮。

12、得到以下结构:(6)在工具栏中，选择 Measure/ChangeR钮下拉选项中点击 AngeM ,依次点击左边的 C-GL-PO,同样选择右边的 PO-GL-Co此时会显示出两个接近 156.50的角度，选在两个角度，在 Properties Explorer中，设置 Angels为230。 按下ALT键，双击角度，按下Delete。得到以下分子结构：(7)参照第二步，定义珠子 W,用Build Mesomolecule建模工具，建立一个仅 包含W的粗粒化分子。更改文件名为 solvent.xsd。4、建立双分子层结构。(1)选择 Build | Build Mesostructure |

13、Mesostructure Templates点击 Mesostructuretoolbar中的 Mesostructure Template toolbar中的 Mesostructure Template ,Build点击改变toolbar 口 罚 点击改变toolbar 口 罚 U框。中的 Mesostructure,打开 Build Mesostructure对话Mesostructure Template寸话框。改变 X、YExtents 为 64, Z Extent 为 100。在 Filler 中，键入 solvent。Build按钮。在 Build Mesostructure

14、Template对话框中，改变 Former type 为 Slab。Depth 为 44.15, Orientation 为 Along Z。选中 Enable surface packing;在Filler中键入lipid。点击Add,关闭对话框。(2)选择 Build | Build Mesostructure | Mesostructure 或点击 Mesostructuresolvent filler 中的 Mesoscale Molecule,选择 solvent.xsd。lipid filler 选择优化的 DPPC.xsd。点击 Packing,设置 Length scale

15、(L)为 1, Density 为 0.00836;不选 Randomize conformations在 Packing 中，点击 More.按钮，打开 Bead Packing Options对话框；双击打开已经优化过的 DPPC.xsd。选择NC,点击Create bead Head set from selection按下CTRL + D取消选定，之后按下CTRL键，选择尾部的两个C珠子。在 Bead Packing Options对话框中,改变 Bead tag为 Tail,点击 Create bead Tail set from selection。关闭对话框。标记后的DPPC结构

16、如下：(3)双击 mesostructure template.msd在 Build Mesostructure 对话框中，点击 Build 按钮。得到下图所示结构：(4)在菜单栏中选择File | Export.,打开Export对话框，在保存类型下拉选项 中选择 Materials Studio 3D Atomistic Files (*.xsd),点击 Options.按钮，打开 MSD/MTD Export Options 对话框，设置 Length scale为 1,点击 OK。改变文件名为 bilayer.xsd,保存在(I):选择当前工程的根目录下的 CG-bilayer Fil

17、es/Documents。点击保存(S)。此时在 project explorer 会出现一个 名为bialyer.xsd的文件。(5)在菜单栏中选择 File | Save Project 选择 Window | Close All。5、体系优化及动力学过程。在 Project Explorer 中,双击 bilayer.xsd,打开文件。(1)分配力场：如第三步中的第四小步，为每种粗粒子珠子分配力场，分配电荷。分配类型如下表所示:BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40(2)第一次构型优

18、化打开 Mesocite Calculation 对话框；点击 Energy按钮，在 summation method中的 Electrostatic的下拉选项中选择 Bead based确保 Mesocite Calculation/Setup 中的 Task为 Geometry Optimization ；选中 Mesocite Calculation/Jop Control 中的 Run inparallel on of i processors把可用的CPU调到最大值(此后在几何优化过程，还是动力学过程， 为了充分利用服务器，CPU都调到最大值)。点击Run。(3)第二次构型优化双击打

19、开优化过的bilayer.xsd在Mesocite Calculation对话框中选择 Setup按钮；点击 More打开 Mesocite Geometry Optimization对话框，选中 Optimize cell;关闭 Mesocite Geometry Optimization 对话框。点击Run。(4)动力学优化双击打开第二次优化过的文件 bilayer.xsd在Setup中，选择 Task为 Dynamics,点击 More按钮，打开 Mesocite Dynamics 对话框。设置 Time step为 40fs,改变 Ensemble为 NPT。选择 Thermostat

20、按钮，设置 Thermostat为 Velocity Scale点击 Barostat按钮，设置 Barostat 为 Andersen。 在 Mesocite Calculation对话框中点击 Run。bi layer. xtd(5)第二次动力学优化bi layer. xtd双击才T开bilayer Mesocite Dynamics文件夹下的件；在 Mesocite Dynamics 对话框中选择 Thermostat 按钮，设置 Thermostat 为 Nose设置 Q ratio 为 1600。点击 Dynamics 按钮，设置 Frame output every为 250ste

21、ps在 Mesocite Calculation对话框中，选中 Restart；点击Run。弹出警告对话框，点击Yes(6)选择 File | Save Project 选择 Window | Close All。6、结果分析，以角度分布和沿Z轴浓度分布为例。(1)角度分布：双击打开bilayer Mesocite Restart文件夹下的bilayer.xtd文件；双击才T开DPPC Mesocite GeomOpt文件夹下的DPPC.xsd文件。在DPPC.xsd下，用Measure/change工具，选择下图所示两个角度。选择 GL-PO-GL 键角。在菜单栏中选择 Edit | Fin

22、d Patterns,打开Find Patterns对话框。定义优化过的 DPPC.xsd文件作为Pattern document,并且确定键角 GL-PO-GL仍然被选中。改变 Match property 为 BeadTypeName打开轨迹文件bilayer.xtd,点击Find。点击 New Sets.按钮，打开 Define New Set对话框，键入 GL-PO-GL Angles,点击OK按钮在bilayer.xtd文件中取消选定。选择 Analysis;同样定义 sets 为 选择 Analysis;3) 选择 Modules | Mesocite | Analysis, 或,点击 mesocite tool打开 Mesocite Analysis对话框,在 Analysis