分子动力学模拟计算水分子扩散系数课件

分子动力学模拟计算水分子扩散系数计算材料学实验分子动力学模拟计算水分子扩散系数计算材料学实验11、实验目的（1）了解分子动力学方法的原理。（2）熟练MS软件构建分子和体相的基本操作。（3）掌握分子动力学模拟的基本步骤。（4）掌握粒子扩散系数的计算方法。1、实验目的（1）了解分子动力学方法的原理。22、实验原理（1）分子动力学模拟（moleculardynamicssimulation，简称MD）方法首先是由Alder和Wainwright提出的，现已逐渐成为预测系统特性、验证理论和改进模型的计算工具。

MD方法的基本思想是把物质看成由原子和分子组成的粒子系统，从该体系的某一假定的位能模型出发，并假定体系粒子的运动遵循经典力学或量子力学描述的规律，若已知粒子的所有受力作用，则可以求解出运动方程而得到系统中全体粒子在相空间中的轨道，然后统计得到系统的热力学参数、结构和输运特性等。也就是由体系的微观性质来求算其宏观性质，属于微观尺度的模拟技术。2、实验原理（1）分子动力学模拟（moleculardy32、实验原理（2）均方根位移：分子动力学计算系统中原子由起始位置不停移动，每一瞬间位置皆不同。以表示时间t时粒子i的位置。粒子位移平方的平均值称为均方根位移（MeanSquareDisplacement=MSD）：（3）粒子扩散系数：根据爱因斯坦扩散定律：式中D为粒子的扩散系数，当时间很长时，均方根位移曲线的斜率就是6D，因此可以通过分子动力学计算MSD曲线斜率得到粒子的扩散系数。2、实验原理（2）均方根位移：分子动力学计算系统中原子由起始43、实验内容（1）回顾创建工程和构建分子的基本操作；（2）构建水体系并进行分子动力学模拟；（3）计算水分子的扩散系数。3、实验内容（1）回顾创建工程和构建分子的基本操作；53.1回顾创建工程和构建分子的基本操作（1）创建工程（2）构建分子3.1回顾创建工程和构建分子的基本操作（1）创建工程（2）构63.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（1）构建水分子，命名：water。3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（1）构建水分子，命73.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（2）构型优化：点击discover模块中setup，在Energy中选择力场compass；在Typing中点击Calculate，对分子分配电荷和立场参数。点击discover模块中Minimizer，选择SmartMinimizer方法，精度选择Medium，点击Minimize，开始进行优化。3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（2）构型优化：点击83.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（3）定义Group：选中优化后的整个水分子，点击Modify-Charges选择ChargeGroup，然后点击Define。3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（3）定义Group93.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（4）构建水盒子：打开water.xsd文件，点击Amorphous-Construction(Legacy)中Add选项Number：300，密度设为1，点击setup选择Usegroupbasedcutoffs，其它具体参数设置如下图，点击Construct弹出waterACConstr文件夹中water.xtd文件即纯水体系模型。将其名字修改为box.xtd3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（4）构建水盒子：打103.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。点击discover模块中setup中将non-bond的vdw&Coulomb设置为groupbased，在点击discover中Minimizer，选择SmartMinimizer方法，精度选择Medium，点击Minimize，完成优化，box.xsd文件即优化后的体系。打开上述优化过的模型，点击discover中Dynamics系综选择NVT；温度定为289K；模拟步长1fs模拟时间50ps，每隔1000针记录一次数据。点击Run对体系进行分子动力学模拟，弹出boxDiscoverDynamics文件夹，其中box.xtd文件即体系模拟的轨迹文件。（5）优化水盒子：（6）分子动力学模拟:3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。点击discover113.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（7）计算扩散系数：1.定义set：选中所有水分子在工具栏中点击Edit-EditSets中New选项-OK。3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（7）计算扩散系数：123.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。2.提出水分子的MSD曲线：点击discover模块中Analysis选择Dynamic-Meansquareddisplacement-点击define-Addtolist再点击Analyze。得到MSD曲线如左图所示：（8）计算扩散系数：3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。2.提出水分子的MS133.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（8）计算扩散系数：

3.MSD曲线图中包含水分子在沿X、Y、Z轴方向以及总的四条均方根位移。取总的MSD曲线（在图上右击-DeleteGraph选中要删掉的曲线然后点击OK），拷贝到Exce中，求其斜率，根据MSD与扩散系数的关系式算得水分子的扩散系数。3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。（8）计算扩散系数：143.2作业模拟H2O在缓蚀剂膜A、B中的扩散系数，判断三种缓蚀剂的缓蚀效率。R:A-B-缓蚀剂waterA(7)B(19)扩散系数（100水分子）2.130.38280.7647

3.2作业模拟H2O在缓蚀剂膜A、B中的扩散系数，判断三种15模拟步骤：构建水分子结构，优化结构，定义chargegroup构建缓蚀剂分子结构，优化结构，定义chargegroup，以主链C、N等原子及与其相连接的氢原子作为单元进行构建（使每个group的电荷接近零）；构建含有30个缓蚀剂和100个水分子的缓蚀剂盒子（三个缓蚀剂随着碳链增长其密度分别为：0.94030571、0.92030480、0.88955424）；构建盒子时，需将添加的结构双击打开后，点中与其对应的文件名添加；构建时在setup力场设置中将non-bond的库伦和范德华设为groupbased；构建完成后利用displaystyle查看是否所有原子定义group,如个别原子忘记定义，则整个盒子不能显示group。对盒子进行结构优化时，选择medium，步长为5000步；进行分子动力学模拟，分子动力学之前，打开优化后的构型，检查力场设置，Vdw,Coulomb是否是groupbased