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1、分子动力学仿真简介汇报：宋继光2010年4月分子动力学的起源世界上第1例计算机仿真是由Metropolis ，Rosenbluth，Teller于1953年在LosAlamos 美国国家实验室进行的关于液体的仿真。此 后计算机仿真取得了飞速发展。分子动力学仿真的意义可提供大量的精确数据信息的一般化预测事物发展的趋势原子：0.1-5nm微观：20-1000nm细观：10-50 m宏观：1mm-1cm发展高强度，耐磨，耐热材 料。 认识规律，指导生产分子动力学仿真的应用领域医药生物新能源材料化学机械分子动力学仿真的基本原理系统模型的建立质点的运动方程分子间的相互势能系统模型的建立选择一个由N个粒子
2、组 成的分子动力学元胞，加上边 界条件构成分子动力学一般模 型。研究问题不同，边界条件 不同，通常根据具体的研究问 题，选取的边界条件有周期性 边界条件，固定边界条件，混 合边界条件（周期性边界条件 加固定边界条件）。质点的运动方程原子间的相互作用力可通过势 函数对原子间距离rij求导得出，公式 如下：作用在第i原子上的总原子力等 于其周围所有其它原子对该原子作用 力之合力，即：Fi=Fij (ij)图1 笛卡儿坐标系中的径矢ri，rj 及i ，j质点间的连接矢量rij分子间的相互势能图2 势能函数与力随原子间距的变化分子动力学软件软件名称操作系统应用范围DL_PolyNNIX做界面体系LAM
3、MPSLINUX做材料体系GROMACS无限制做蛋白体系AMBERNNIX做生物体系Materials Exploer无限制化学和材料体系表1 分子动力学软件对比Materials Explorer 软件简介Materials Explorer（下简称ME）是由日本FUJITSU公司开发的一种高效的商业化的多用途分子动力学（MD）软件包，适用于Windows操作系统的个人计算机和Linux系统的集群式计算机。ME软件功能非常强大，可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液、流体、液体和气体的相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。基本用户导向模块ME的基
4、本用户导向模块，提供建模、结果分析等用户工 具界面。作为ME的基本模块，它整合各种计算引擎和物性预 测模块，进行统一界面下统一管理。用户可以基于研究目的随 意整合各个模块，提高工作效率。图3 ME基本界面建模ME具有较强的建模功能。ME可以使用户在操作界面当中进 行晶体结构的建立、编辑等工作。根据建模需要，可以建立缺陷、 原子置换、原子插入等编辑，并可方便的建立、修改超晶胞、表面 和界面等。图4 ME固体建模实例图5 Solution Modeler建立的空气模型建立液体和气体模型原子置换工具用户可利用该工具对已经建好的模型内部的原子进行置换。图6 KCl中K离子置换成Na离子超晶胞的建立利用
5、对单晶胞的复制来创建指定大小的超晶胞。图7 晶体的堆叠建立晶体生长与吸附Molecular Generator进行原子沉积，用于晶体生长 和薄膜吸附的模拟。同时借助晶胞旋转控制晶体的生长 方向。图8 晶体生长和吸附模拟计算模拟条件选定力场模拟条件图9 模拟条件确定界面选定力场Materials Explorer软件中包含2Body，3Body，EAM， AMBER等63个力场可供用户选择。此外用户还可以自己为 其需要而编辑自己的势值。图10 选定力场界面结果分析3D Atomic Configuration Module显示体系的快照、轨迹 和动力学体系的动画。图10 晶体变迁的动画演示图形曲
6、线显示关于随着时间改变，温度、压力、内能和其它性 质的2D图像的变化情况。图11 模拟结果的二维显示分析功能 针对于X-ray和中子衍射的干扰函数 径向分布函数 均方位移 研究体系包利用Voronoi多面体对材料微 结构进行分析 研究体系包括高分子材料、生物大分子 等物质的气体相变、膨胀、压缩系数、抗张 强度、缺陷等 热传导率分析。加强了多光源设定、材 料特性显示、图像单元显示等可进行高效描 述的图形功能计算服务管理ME包含整合网络技术的作业管理系统。与独立的作业 排队系统结合，能在远程计算机上自动处理作业调度、计算 结果管理。这一可选的终端服务器功能模块使得在矢量机 或者对称多处理UNIX服务器上的高性能计算成为可能。图12 ME工作的网络结构材料的特性在很大程度上取决于原子的结构、 排列及其运动。深入掌握原子运动规律对理解材料 的变形与破坏的机理是至关重要的。但由于原子尺 度在埃量级，直接进行观察很困难。在这种背景下 ，对材料的原子尺度进行数值模拟就显得越来越重 要。分子动力学模拟不仅能得到被模拟系统总的特 性和某些感性趣的行为，而且还能像做试验一样地 进行观察与显示。特别是许多在实验中无法获得的 微观和原子尺度上的细节，在分子动力学模拟中都 可以方便地观察到。这种优点使得分子动力学在物 理、化学、生物、材料科学等领域研究中非常有吸 引力。结束语谢 谢 再 见
