基于分子动力学的常用力场、算法及结果分析VIP免费

基于分子动力学的常用力场、算法及结果分析摘要：分子动力学模拟是随着计算机技术发展而兴起的一项新技术，结合了物理，数学和化学的模拟方法。分子动力学模拟具有沟通宏观特性与微观结构的作用，对于许多在理论分析和实验都难以了解和观察到的现象能给出一定的微观解释，可以分析其中的物理现象和本质。本文主要对分子动力学中常用力场，算法及结果分析方法进行综述。最后基于计算机硬件的发展与模拟算法的优化，对该领域未来发展进行展望。关键词：分子动力学；力场；算法；结果分析；引言早在20世纪50年代末，人们就已经开始进行计算模拟实验。一开始，这些计算实验的对象只是一些小的模型体系，比如几个硬球的集合。但早在那时，Alder和Wainwright[1]就已经预见到,这样的计算机模拟实验将会成为联结宏观实验现象和其微观本质的重要桥梁。尽管解析理论进行模拟也可以部分解释实验，但是往往附带了很多近似，而计算机模拟能够提供体系的详尽信息，具有更大的优势。由于宏观和微观在尺度上是截然不同的，为了能够在两者之间建立切实的关联，即微观模拟体系能够反映相应的宏观实验现象，需要通过周期性边界条件对模拟对象体系进行周期性的复制，以避免在实际中并不存在的边缘效应。分子动力学模拟主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。通过分子模拟技术，人们可以在分子、原子尺度上对所关心材料的物理、化学性质以及与之相对应的各种现象进行模拟，摒弃传统材料科学研究中被称之为“爱迪生方式”的炒菜式研究，利用计算机对材料的组成、性质、制备工艺、加工工艺等环节进行虚拟实验获得大量数据，再与少量验证性实验进行对照，分析物理现象和本质，从而大大的降低材料的研发成本和时间。这种新材料的设计模式已经很大程度上取代了传统的新材料设计方式，成为新材料设计的主要方式之一。2011年，美国启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”计划，而以材料计算与模拟为主的“材料基因组计划”则是其中重要内容之一[2]。目前，对分子动力学模拟的力场、算法及结果分析方法很多，但基本上是分散在英文文献中，由于翻译和理解上的差异，影响了国内从事分子模拟科研工作者的理解交流。本文整理了目前分子动力学中主流的力场、算法及结果分析，并在最后对该领域进行了展望。1力场1.1力场简介分子动力学模拟是计算庞大复杂系统的有效方法，它以力场为依据，力场的完备与否决定计算的可靠程度。分子的总能量是动能与势能之和，分子的势能通常表示为简单的几何坐标的函数。一般势能中包括：（1）范德华力，与能量有关的非键相互作用交叉能量项，（2）构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化，（3）键角变化引起的分子能量变化，（4）单轴旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化，（5）离平面振动项，共平面原子的中心原子离平面小幅振动的势能，（6）库伦作用项，带电荷粒子间存在的静电吸引或排斥作用的势能。力场可以看作是势能面的经验表达式，它是分子动力学模拟的基础、力场是通过原子位置计算体系能量的，与之前的量子力学方法相比，大大节约了计算时间，可用于计算包含上万粒子数目的体系。势能函数在大多数情况下将描述分子几何形变最大程度地简化为仅仅使用简谐项和三角函数来实现，而非键原子之间的相互作用，则只采用库伦相互作用和兰纳-琼斯势相结合来描述。势能函数的可靠性主要取决于力场参数准确性，而力场参数通常通过拟合实验观测数据和量子力学从头计算得到的数据。目前在生物大分子体系模拟中使用最为广泛的分子力场是CHARMM力场[3]和AMBER力场[4]，也是早期研究生物大分子的分子力场，其现有的力场参数仍在不断优化，并且涵盖的分子类型也在扩大。粗粒化模型在计算生物物理研究中越来越引起人们的关注[5,6]由于该模型中定义了粗粒化粒子，对应于全原子模型中的若干原子或原子基团甚至分子，减少了体系中的粒子数和自由度，使得模拟的时间和空间尺度得以大幅度提高，虽然会丢失一些原子细节...