1、分子動力學簡介：

 分子動力學方法是一種計算機模擬實驗方法，是研究凝聚態系統的有力工具。該技術不僅可以得到原子的運動軌跡，還可以觀察到原子運動過程中各種微觀細節。它是對理論計算和實驗的有力補充。廣泛應用于材料科學、生物物理和藥物設計等。經典MD模擬，其系統規模在一般的計算機上也可達到數萬個原子，模擬時間為納秒量級。2006年進行了三千二百億個原子的模擬（IBM lueGene/L）。

 分子動力學總是假定原子的運動服從某種確定的描述，這種描敘可以牛頓方程、拉格朗日方程或哈密頓方程所確定的描述，也就是說原子的運動和確定的軌跡聯系在一起。在忽略核子的量子效應和Born-Oppenheimer絕熱近似下，分子動力學的這一種假設是可行的。所謂絕熱近似也就是要求在分子動力學過程中的每一瞬間電子都處于原子結構的基態。要進行分子動力學模擬就必須知道原子間的相互作用勢。

 在分子動力學模擬中，我們一般采用經驗勢來代替原子間的相互作用勢，如Lennard-Jones勢 、Mores勢、EAM原子嵌入勢、F-S多體勢。然而采用經驗勢必然丟失了局域電子結構之間存在的強相關作用信息，即不能得到原子動力學過程中的電子性質。

詳細介紹請見附件。

 

2、分子模擬的三步法和大致分類

三步法：

 第一步：建模。包括幾何建模，物理建模，化學建模，力學建模。初始條件的設定，這里要從微觀和宏觀兩個方面進行考慮。

 第二步：過程。這里就是體現所謂分子動力學特點的地方。包括對運動方程的積分的有效算法。對實際的過程的模擬算法。關鍵是分清楚平衡和非平衡，靜態和動態以及準靜態情況。

 第三步：分析。這里是做學問的關鍵。你需要從以上的計算的結果中提取年需要的特征，說明你的問題的實質和結果。因此關鍵是統計、平均、定義、計算。比如溫度、體積、壓力、應力等宏觀量和微觀過程量是怎么聯系的。

 有了這三步，你就可以做一個好的分子動力學專家了。推而廣之，其實所謂的介觀模擬，蒙特卡羅模擬、有限元模擬都是一個道理。

大致分類：

2.1電子模擬（量化計算，DFT）

 量子化學計算

 一般處理幾個到幾十個原子

 常見軟件：GAUSSIAN，NWCHEM等

 密度泛函（DFT）

 可以算到上百個原子

 常見軟件：VASP

2.2分子模擬（分子動力學，蒙特卡洛）

2.2.1分子級別的模擬

 分子水平的模擬

 以分子的運動為主要模擬對象

 采用經驗性的分子間作用函數模擬微粒之間的作用

 一般情況下不考慮電子轉移效應，因而不能準確模擬化學成鍵作用

 發展最早

 1950s，Alder，勞倫斯利物默實驗室，分子動力學模擬32個原子

 1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯實驗室，蒙特卡洛模擬32個原子

 分子級別的模擬應用的領域很廣

 廣泛應用于化學，物理，生物，化工，材料，機械，治藥等領域

 簡單易學

2.2.2蒙特卡洛方法

 蒙特卡洛是一種優化方法

 通過蒙特卡洛算法來尋求能量最優點

 隨機方法

 通過系綜平均來求取宏觀性質

 模擬的是平衡狀態，不涉及時間效應（KMC除外）

 優點是可以跨越時間因素，缺點是得不到有關時間信息的性質

2.3 CPMD:考慮量子效應的分子動力學

 同時考慮原子核的運動（牛頓力學）和電子的運動（量子力學）

 能同時準確模擬物理作用和化學鍵作用

 目前來說CPMD可以處理的體系還很小（幾十個原子）

2.4顆粒方法（Coarse Grain）

 將分子基團（幾個或者幾十上百個原子）當成單個的微粒來處理

 微粒之間的作用也是通過類似于分子動力學的未能函數來描述

 可以模擬更長的時間跨度

 

3、幾種常見的針對軟材料模擬分子動力學軟件

3.1 namd

 

http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/

主要針對與生物和化學軟材料體系

優點

程序設計水平高，計算效率高，號稱可以有效并行到上千個處理器

兼容多種輸入和輸出文件格式，有很好的分析輔助軟件VMD

有很好的維護服務

不需安裝

免費

缺點

萬一需要自己安裝的話比較麻煩

3.2 AMBER

 

http://amber.scripps.edu

主要針對生物體系，也適當兼容一般化學分子

優點

有很好的內置勢能模型

自定義新模型和新分子很方便

有很完善的維護網站

缺點

計算效率不高（收斂到16個處理器），運算速度慢

$400

3.3 CHARMM

 

http://www.charmm.org/

主要針對生物體系，也包含部分化學體系

優點

勢能模型更新很快

自定義新模型比較方便

維護服務很好

缺點

運算速度慢，計算效率低

$600

3.4 TINKER

 

http://dasher.wustl.edu/tinker/

一般性分子動力學軟件，對生物體系略有偏重

優點

支持多種模型

免費

缺點

仍在開發中，某些方面還不完善

3.5 LAMMPS

 

http://www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html

一般性分子模擬軟件

優點

兼容當前大多數的勢能模型

編程水平高，計算效率高（比NAMD差，強于其他所有類似軟件）

可以模擬軟材料和固體物理系統

免費

缺點

維護差

3.6 DL-POLY

 

http://www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/

一般性分子模擬軟件

優點

界面友好

計算效率高（有兩個版本供選擇，適合于不同大小的體系）

維護服務很好

缺點

兼容性不好

100英鎊

3.7 GROMACS

 

http://www.gromacs.org/

主要針對生物體系，也適當照顧一般化學體系

優點

算法好，計算效率高

界面友好

維護服務好

免費軟件

缺點

兼容性不好

3.8 Materials Explorer

多功能分子動力學軟件

立足于Windows平臺的多功能分子動力學軟件。擁有強大的分子動力學計算及Monte Carlo軟件包，是結合應用領域來研究材料工程的有力工具。Materials Explorer可以用來研究有機物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導體等晶體、非晶體、溶液，流體，液體和氣體相變、膨脹、壓縮系數、抗張強度、缺陷等。Materials Explorer軟件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63個力場可供用戶選擇。Materials Explorer軟件擁有完美的圖形界面，方便使用者操作。

功能：

創建模型：

 MD Cell Builder ——創建非晶和有序體系

 Add MD Cell ——創建分層體系，如晶界和相界等

 Molecule Generator ——在吸附，CVD， spattering 模擬中插入新的分子到MD Cell

附加工具： 

 Molecule Builder ——提供所有類型的分子的創建

 Crystal Builder ——使用空間點群和不對稱單元創建晶體結構，用于無機固體及分子晶體系統的研究

 Polymer Module ——模擬不定型聚合物

 pdb → bdl 支持輸入pdb格式的文件

各種靈活的模擬功能：

 NEV, NTV, NPH 和 NTP全部使用 Parrinello-Rahman-Nose 方法

 兩種積分方法: Gear (predictor-corrector) 和 Hernandez (leap-frog)

 使用SHAKE 算法進行鍵約束計算

 可以采用周期邊界條件

 研究異相系統（氣-固界面，固體顆粒邊界等）

 多種分子模型：potential，rigid body，bond constraint，united atom model

 使用Parrinello-Rahman 和 Nose 方法進行溫度和壓力控制分子動力學模擬

 初始馳豫——阻止在液體和非晶模擬中的爆炸

 外場：靜電場，磁場，重力場，包括球和彈性能力校正

 電荷確定工具——確定分子的原子電荷

 輕松建立隨機多組分液相或氣相系統；

 輕松進行分子模擬，從而研究晶體或外延生長，表面吸附和表面破壞；

 利用復制，剪切和粘貼功能建立帶有缺陷和雜質的模塊系統

分析：

 Monitoring Module ——顯示溫度，壓力，內能以及其它熱力學性質與時間的2D曲線圖

 3D Atomic Configuration Module —— 顯示系統的快照，軌跡和動畫

 MSD Module ——從輸出數據計算均方位移（MSD）。顯示MSD的2D圖像，以及每個分子的自擴散系數。

 PCF Module ——計算配對相關性函數和自由基分布函數，并描繪出相應的二維圖

 Interference Function Module ——根據一對相關函數計算X-ray 和中子衍射。

 Voronoi Module ——計算Voronoi 多面體的數目和這個多面體的面數。利用Voronoi分析對無定形固態進行表征

 Internal Coordinate Module ——計算鍵長，鍵角，二面角，或指定分子類型的里面角，在分布圖中顯示分布狀態。

 Velocity Auto-Correlation Function & Spectrum Module ——計算自相關函數和基于Wiener-Khintchin方法的譜

 Modulus of Elasticity Module ——計算彈性系數

 

4、國內部分著名分子動力學課題組簡介 

 

4.1 蔣華良 上海藥物所

男，研究員，博士生導師。現任中國科學院上海藥物研究所副所長、所學術委員會副主任、藥物發現與設計中心主任。 蔣華良研究員 1987 年畢業于南京大學化學系，獲得學士學位； 1992 年畢業于華東師范大學化學系，獲得理學碩士學位； 1995 年畢業于中國科學院上海藥物研究所，師從嵇汝運院士和陳凱先院士，獲得理學博士學位。隨后留在藥物所工作，歷任副研究員、研究員、博士生導師、藥物發現與設計中心主任、所學術委員會副主任、副所長等職。他是國家杰出青年基金獲得者，科技部 973 計劃首席科學家，科技部 863 計劃“生物和醫藥技術領域”專家組成員，科技部中長期規劃重大基礎研究項目“蛋白質科學研究”專家組成員，國家自然科學基金委重大研究計劃“基于化學小分子探針的信號轉導過程研究”專家組成員

4.2 劉海燕 科大

男，教授，博士生導師。1969年出生于四川。1996年畢業于中國科學技術大學生物系，獲博士學位。曾于1993-1995年作為聯合培養研究生在瑞士蘇黎世高等理工學院物理化學實驗室學習，1998-2000年在杜克大學和北卡羅來納大學作博士后研究。現為我校生命科學學院教授、博士生導師。在J. Am.. Chem. Soc.、J. Mol. Biol.、J. Chem. Phys.等雜志發表研究論文三十余篇。2000年入選中國科學院“引進國外杰出人才”項目。2001年獲“國家杰出青年基金”資助。

4.3 王恩哥 物理所

男，1957年生，現任中國科學院物理研究所所長，研究員，博士生導師。同時任香港大學Honorary教授，以及國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）專業委員會委員，中國物理學會秘書長，中國物理學會凝聚態理論與統計物理專業委員會常委，《Materials Science Foundation》、《Journal of Computational and Theoretical Nanoscience》、《物理學報》、《化學物理學報》等雜志的編委。

4.4 高世武 物理所

男，1963年7月生于湖北。1984年畢業于南京大學物理系，1990年獲中科院物理研究所博士學位。后主要在瑞典Chalmers理工大學和哥得堡大學物理系工作，現任該系教授。2004年入選中科院“百人計劃”，任研究員，2005年任SF5課題組組長，2006年起擔任表面物理國家重點實驗室主任。

主要研究方向：

　　1.凝聚態理論和表面物理

　　研究表面和納米材料的電子激發態結構，光學特性，光激發和電子激發的動力學過程，熱電子的輸運和馳豫，電子和聲子間的能量轉換和耗散，激光和隧道電子引起的原子和分子動力學過程。

　　2.計算生物物理

　　結合理論模型分析，分子動力學模擬，和并行計算方法，模擬計算生物分子系統，如細胞膜和離子通道結構，離子與水的相互作用和輸運動力學性質，及其它們對其生物特性影響。

　　過去的主要工作及獲得的成果：高世武研究員長期從事表面，界面和材料的基礎理論和計算研究。在表面動力學、量子耗散理論、電子結構計算，以及并行計算方法等領域進行了系統深入的研究，取得了多項國際領先的研究成果。他提出的隧道電子多重散射熱振動機制首次解釋了單原子STM操縱機理，并成功解釋和預測氧單分子分解速率的非線性關系；推廣了Lindblad量子耗散理論，并應用于表面化學反應動力學過程。發展了電子結構嵌入團簇計算方法和處理大型計算的并行方法。截止2006年3月，共發表論文約50篇，20篇發表在Phys. Rev. Lett. 和Phys. Rev.上。其中SCI收錄論文被引用約700次。在著名的大型國際會議（如美國物理學會三月年會和歐洲科學學會研討會）上做邀請報告10余次。

4.5馬余強 南京大學

男，1964年生,南京大學物理系教授,教育部長江計劃特聘教授（軟物質物理），國家杰出青年基金獲得者。在國際上首次確定了質子玻璃類系統的鐵電一鐵電玻璃轉變，表明鐵電相可與玻璃相共存以及在玻色空間建立環模型,從而使路徑積分可處理有玻璃有玻色子約束的一大類玻色系，建立量子XY鐵磁和反鐵磁模型的精確解，揭示了磁有序BOSE－EINSTEIN凝聚的關系，在改善神經網絡記憶和儲存方面作了細致而深入的研究。近年來僅發表在SCI國際核心雜志論文4 9篇,其中第一作者為40篇，25將發表在李政道博士所列的國際權威雜志上，論文被國際核心雜志及專著引用達80余篇，被同行認為是國際上最早提出的，有20多個國家的近百個國外同行來函索取論文。馬余強先后獲江蘇省科技進步二等獎、國家科技三等獎等10余項成果。獲南京大學第四屆、第五屆南京大學新星科學獎、希望之星獎等。

4.6龔新高 復旦大學

1962年出生，1982年9月-- 1985年7月，在中國科學院固體物理研究所獲理學碩士，1993年5月獲中國科學院固體物理研究所理學博士并獲得中國科學院院長獎學金特別獎，1993年12月中國科學院固體物理研究所晉升 研究員，博士生導師。95年獲得中國 科學院青年科學家獎，99年獲得 國家杰出青年基金。

1988年01月--1991年04月ICTP(意大利國際理論物理中心) Research Fellow，1987年07月--1987年08月ICTP訪問學者，1987、92、93、94、95年ICTP訪問學者（短期），1996年03月--1996年06月巴西基礎物理研究中心訪問教授，1996年10月--1996年11月University of Tokyo、Keio、Tohoku、Nagoya、Kyoto訪問教授，1997年07月--1998年01月Ohio State University訪問教授，1998年01月--1998年01月香港中文大學物理系短期訪問1998年09月--1998年11月 香港中文大學物理系短期訪問，1999年02月--1999年06月Clark Atlanta University短期訪問，2000年02月--2000年06月香港中文大學化學系短期訪問。

轉自360 圖書館