分子流模擬的案例
基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內低溫吸附結構對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
腔體內顆粒粒子追蹤He氣體分子的運動，如圖3所示。由圖可知，最終在吸附壁面上吸附了一定數量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數密度分布
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
基于GROMACS的小分子自組裝分子動力學模擬
關鍵詞：GROMACS；小分子；自組裝；分子動力學；回轉半徑
背景介紹
小分子自組裝過程廣泛存在于材料、生命與能源體系中，其微觀機理關乎膠束/囊泡形成、層狀有序相的出現以及功能納米結構的穩定性。相比僅觀察宏觀現象，分子動力學（MD）能在原子尺度直接揭示小分子的自組裝機理，直觀體現其自組裝過程，從而為藥物，納米材料設計提供理論依據。
本案例基于GROMACS軟件，模擬分析匹格列酮四聚體的分子自組裝過程。
初始模型構建
首先利用Packmol構建匹格列酮四聚體模型，盒子大小為3*3*3，packmol輸入文件如圖1所示：
圖1 Packmol 輸入文件
所構建的匹格列酮四聚體初始模型結構如圖2所示：
圖2 匹格列酮四聚體初始模型結構
首先進行能量最小化：
gmx grompp -f em.mdp -c mix.gro -p top.top -o em.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm em
能量最小化后進行2 ns的平衡模擬:
gmx grompp -f md.mdp -c em.gro -p top.top -o md.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm md
模擬分析
經過2ns的平衡模擬后，可以看到四個匹格列酮小分子已經成功發生了自組裝，如圖3所示：
圖3 模擬2ns后匹格列酮四聚體結構
我們進一步分析匹格列酮四聚體的回轉半徑:
gmx gyrate -f md.xtc -s md.tpr -p
可以看到，在初始50ps的模擬過程中，分子間距離迅速收縮，表明自組裝過程已經在進行。
展開 SCIGRESS--分子動力學及多功能分子設計模擬軟件包
SCIGRESS 先進的分子建模和可視化功能使得研究者可以方便的導入多種實驗方法所得的分子結構，也可以輕松的建立一個新的結構。除了豐富的建模工具外， SCIGRESS也提供了強大的計算引擎和全面的分析工具。
分子動力學計算引擎Materials Explorer是由日本FUJITSU公司開發的一種高效的商業化的多用途分子動力學軟件包。Materials Explorer功能非常強大，有63個力場供選擇，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 和氣體的相變、膨脹、壓縮系數、抗張強度、粘度、熱導率、缺陷等。小分子藥物與生物大分子的對接以及小分子藥物的構效關系一直是計算機輔助藥物設計中兩項 非常重要的內容。Scigress繼承了CAChe的功能，提供了這兩項計算功能。此外，Scigress還包括了使用廣泛的半經驗量化計算模塊。通過 Scigress，研究者可以完成掃描分子勢能面，確定化學反應機理，尋找反應過渡態，分析紅外紫外光譜，明確分子軌道中的電子躍遷，常規分子動力學模 擬，計算眾多材料體系的力學與熱力學性質，模擬晶體的外延生長與表面吸附的動態行為，預測小分子在多孔材料中的分布情況，列舉分子的低能構象，建立藥物分 子的構效關系模型，完成小分子藥物與生物靶標的對接等多種科研任務。
SCIGRESS 實現了Client-Server 構架。研究者可以簡便的利用位于Microsoft Windows 平臺下的界面進行建模和結果分析，把大量的計算任務分配到服務器或計算集群中進行。這樣就使得研究者可以對更大的體系進行更精確的模擬計算。
展開 復旦大學唐萍課題組近期研究進展：締合高分子的線性粘彈性--分子理論與模擬
為了進一步驗證SRM所預測的理論結果，他們開展了分子動力學模擬研究。通過模擬不僅能方便地表征締合體系中的微觀動力學，同時可進一步分析在理論計算中忽略的其他因素。首先考察了模擬體系在不同締合參數條件下的動力學行為，通過考察締合弛豫時間τsti隨締合強度與反應物濃度的變化關系，確定了在模擬體系中發生的是活化能固定的二元躍遷反應，因此提高粘性鏈段濃度會加快締合反應的速率。此外，這一締合反應并不會受到體系凝膠化過程的影響，因此是一個完全由反應動力學決定的過程。
為了定量比較模擬與SRM理論預測的結果，他們通過計算本體中締合高分子鏈的質心擴散系數，以及用于示蹤的均聚物鏈在締合基體中的質心擴散系數，得到了相對表觀摩擦系數δ的準確數值。通過比較δ和先前得到的締合弛豫時間τsti，他們發現二者在完全凝膠化的狀態下的確可以互相轉換，幾乎滿足一致的參數依賴關系，因此SRM利用表觀摩擦效應代替締合鍵壽命的基本思路是成立的。
(a)
(b)
圖2 線性松弛模量G(t) 的模擬（散點）與SRM理論預測（實線）比較。
展開 
高分子材料流變學簡介-流場
而且，這種應變硬化行為與聚合物分子量分布、支化程度等的大分子結構相關。因此有可能通過測定瞬態拉伸粘度的實驗來表征聚合物大分子結構。
基于GROMACS的納米水滴蒸發分子模擬
關鍵詞：GROMACS；納米水滴；蒸發; 分子動力學；packmol
隨著納米技術的飛速發展，納米尺度的液體動力學已經成為材料科學、化學工程以及生物醫藥等領域研究的熱點。尤其是納米水滴的蒸發過程，因其在制備納米材料、涂層技術和微流控系統中的重要應用，備受關注。了解納米水滴在不同環境條件下的蒸發行為，對于控制和優化納米材料的生產、提高微納尺度設備的性能具有重要意義。近年來，基于分子動力學模擬的研究為這一領域提供了深入的理解和理論支持。本案例將探討基于GROMACS的納米水滴蒸發分子模擬過程。
一、分子動力學模擬與GROMACS簡介
分子動力學（MD）模擬是一種通過數值方法解決經典力學方程的計算方法，用于模擬分子和原子層次的物質行為。在納米尺度的研究中，MD模擬提供了比傳統實驗方法更為直觀和詳細的物質內部動態信息。通過MD模擬，可以追蹤分子和原子在模擬時間內的運動軌跡，從而揭示物質的物理化學性質及其演化過程。
GROMACS（GROningen MAchine for Chemical Simulations）是當前廣泛應用的分子動力學模擬軟件，具有高效的計算能力和靈活的配置選項，支持多種不同類型的分子動力學模擬，并廣泛應用于納米物理學、化學反應動力學等領域。
二、初始模型的構建
在本案例中，我們模擬純水納米液滴的蒸發過程，水分子采用spce水模型。
展開 基于GROMACS的冰的拉伸分子動力學模擬
圖4 拉伸過程冰晶胞的變化
圖5 拉伸過程冰晶胞的能量變化
結語
通過GROMACS分子動力學模擬，本案例成功探究了冰晶胞拉伸的演變過程。對于相關領域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡。
分子動力學模擬-礦物表面潤濕性
關鍵詞：頁巖油，分子動力學，lammps，gromacs，界面張力，最小混相壓力
摘要：分子模擬方法在探究納米尺度下分子間相互作用方面展現出巨大的技術優勢。因此，本文采用分子動力學模擬方法，研究礦物表面潤濕性。
通過我這套LAMMPS, GROMACS代碼，你可以實現不同氛圍氣體，不同溫度下的潤濕性-接觸角計算。這套代碼還可以把氣體換成油，水中加入表面活性劑，助溶劑，離子等，進行研究。
MS，LAMMPS，GROMACS均可以實現，這里介紹LAMMPS，GROAMCS流程。
1，初始模型構建：初始模型是氣-水-壁面模型，使用PACKMOL構建，使用lammps也可以用lammps建模
2，選擇力場：CO2可用TRAPPE，EPM2力場，H2O用SPC/E力場，油用OPLS-AA力場，黏土礦物用clayff力場
3，進行分子動力學模擬：能量最小化-平衡動力學-生產動力學
4，統計數據，可分析密度分布，擴散系數，相互作用力參數等
5，提供LAMMPS in文件，data文件; GROMACS：mdp，top，inp，pdb，gro，xtx等文件
首先設置一個初始尺寸較大的模擬盒子，如圖1所示。
體系設置為NVT系綜，可以設置多個溫度，觀察溫度的影響。壓力由氣體數量決定。麻煩點可以在體系上面加一個板子，用NEMD壓板子。這個體系8ns就穩定了。
圖2是 6ns的穩定構象。
圖3 是接觸角的二維密度分布。
圖4 是密度分布，還可分析相互作用能
圖5 顯示了親水礦物可能不存在接觸角
圖6-圖7 是溫度-壓力對接觸角的影響。
展開 利用LAMMPS 實現導熱的分子動力學模擬
LJ體系的熱導率模擬
1.1.問題描述
1.2模型說明
具體模型如圖1.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，晶體為面心立方結構，晶格參數為0.6，沿x（100）、y（010）方向為10倍晶格長度，z（001）方向為20倍晶格長度。采用compute chunk/atom將模型沿著z方向分成20塊，設置底端0-1倍晶格長度為熱端，中間10-11為冷端。模擬溫度為1.35。先讓模型在該溫度下NVT弛豫1000步。然后再使用NVE系綜，冷熱源采用langevin控溫。熱端設置為1.7，冷端設置為1.0，弛豫到熱源和冷源的溫差達到相對穩定的狀態。這時整體的熱流基本也達到了穩定狀態。此時再繼續運行20000步，統計冷源和熱源的動能轉移和溫度分布情況，用以計算熱導率。
圖1.1：晶體模型示意圖
1.3結果整理與分析
在最后一1000步的溫度梯度和溫差波動如圖1.2所示，可以明顯看出熱端和冷端的溫度差，熱流保持著相對穩定的狀體。由于本次計算采用周期性體系，因此溫度呈現V形分布。具體熱導率的計算過程為：
（1） 熱流密度計算:
總轉移能量為(Q)：參與能量轉移的原子數*(熱端轉移能量-冷端轉移能量）/2；
總計算時間為(t)：時間步長*運行步數
截面積：lx*ly
熱流密度:
(2) 溫度梯度計算：
平均溫差(dt)：0.57；
溫度梯度（考慮周期性）：dt/2/lz
因此本次計算的熱導率為3.39
圖1.2：最后一1000步的溫度梯度（左）和模擬過程中的溫差波動
最后,歡迎通過公眾號"320科技工作室"聯系我們.
展開 分子動力學模擬介紹
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
2.3CPMD: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（CoarseGrain）
?
展開 分子動力學模擬LAMMPS實戰研修
LAMMPS分子動力學核心技術實戰培訓班
2020年10月30日—— 2020年11月2日 (線上直播)
課程目標：
1. LAMMPS分子動力學理論與軟件操作培訓，邊講解邊實踐操作。
2. 通過本課程的學習，學員熟練掌握LAMMPS分子動力學的原理、方法、軟件操作。
3. 學員基本具備獨立完成LAMMPS分子動力學的論文及實際科研工程的能力。
課程大綱
一、Lammps基礎與原理
MD模擬的基本邏輯思路
Lammps軟件學習框架
Lammps研究的幾方面重要資源
二、In文件的基本邏輯框架、基本命令
三、Lammps建模與進階
四、用Lammps模擬具體物理問題（應用中存在的問題）
五、用Lammps輸出研究所需要的數據信息
六，Lammps大量實例練習賞析（已發表文章）
七、LAMMPS高級研修及案例操作
另有
《分子動力學材料模擬》10月15---10月18日
有意者隨時聯系！
【咨詢電話】報名聯系方式：
李連杰(老師) 手機：13311241619 電話：010-56129268
備注：可以開具培訓費、會議費、資料費
lammps分子動力學QQ群號:753267868
分子動力學材料模擬QQ群群號：624464591
（加群備注：李連杰老師邀請）
展開 
分子動力學仿真模擬
圖1：利用分子動力學計算的材料（此材料為Cr2O3固體）各種機械性質。
2. 熱力學性能：聲子態密度，比熱容（等容或等壓），熔點，熱膨脹系數（1D-3D），等溫壓縮系數，熱導率（僅限非金屬材料，例如石墨烯等），等等。
圖2：利用分子動力學計算的材料（此材料為銅-銀納米顆粒）熱力學各性質。
· 各尺度材料的動力學過程模擬與研究：
1. 材料的融化過程：例如金屬納米顆粒，高熵合金，等等。
圖3：利用分子動力學模擬的銅銀納米顆粒以及鋁-銅-鐵-鉻-鎳高熵合金納米顆粒的融化過程。
2. 顆粒在不同條件下的燒結過程：例如不同溫度，壓力 ，顆粒的大小，等等。
圖4：利用分子動力學模擬的銅銀納米顆粒及納米線在不同溫度下的燒結過程
3. 焊接過程：例如, 鎳、鋁納米顆粒與Inconel 718合金的浸潤或者焊接過程
圖5：利用分子動力學模擬的鎳納米顆粒在鎳基板上的浸潤過程以及焊接Inconel 718合金的過程
4. 固相或液相擴散過程：例如θ’-Al2Cu沉積相在鋁合金中的擴散及生長，可計算擴散系數，擴散激活能等。
圖6：利用分子動力學模擬的θ′-Al2Cu在鋁合金中的擴散過程。
來源：海納有限元服務號
展開 關于分子動力學模擬的入門書籍
參考書的話，其實有很多，不過到底看哪方面的內容就要靠自己了：
分子模擬方面的經典書籍：Understanding molecular simulation: From algorithms to applications 和 Molecular Modelling - Principles and Applications ，兩本書的側重點有些不同。
中文書籍：《分子模擬的理論與實踐》《計算化學——從理論化學到分子模擬》中的部分章節；
偏統計和計算物理方面：Statistical Mechanics: Algorithms and Computations。
展開 分子動力學模擬 心得 適合新手
1.看完《分子模擬從算法到應用》那本書的第四章，不用全看完，但是至少要對分子動力學模擬過程有一個了解。
2.試著按照書的過程做個Ar的NVE，其實Ar和離子晶體以及其它的任何材料的差別僅僅是勢函數的問題，雖然由勢函數帶來了一些問題，但是這些都不是本質問題。
3.從初始化的原子數，原子位置，初始速度，時間步長，初始溫度等等這些初始化結束了以后，選擇一個簡單的積分算法，如6階的Gear預測校正，不要控溫控壓，就是一個簡單的NVE，不要考慮任何的提高效率的鄰位算法，因為這個時候我們可以選擇5×5×5的超原胞，總共的原子數也就500個，不需要考慮鄰位算法。
4.開始循環計算：預測----計算原子的力和能量---校正
5.輸出能量
這樣最簡單的NVE就編成了，總共也就1000多行，是個很小的程序。自己先試著感受一下。其實當這樣的小程序完成以后，你會覺得分子動力學編程也很簡單，那么接下來的復雜的分子動力學也不會是什么問題。
做完了這一些，你需要知道的是那些是和材料無關的東西，那么就盡量的分離，開始使用一個個的函數。例如，原子的位置是和具體的材料相關，但是初始速度卻和材料一點關系都沒有，同樣的數值積分中的預測和校正也是和材料無關的，以后的控溫和控壓算法也是和材料無關的。當規模大了以后，鄰位算法也是和材料無關的，像這些和材料無關的部分最好自己做成小函數，選擇調用。以后換材料的時候程序也不會有太大的改動。
編程的一些小技巧：
1.選擇用intel編譯器，個人喜歡用10.1或者9.1的版本，打開優化選擇，類似的/QaxS /QxS /Qipo /Qprec-div-等等，以后可以使用Openmp的并行計算（具體的可以參考intel編譯器的幫助手冊）
2.盡量的簡化計算，例如2×a就要寫成a+a，在計算機中，加減是一個數量的計算，乘是一個，除是一個。
展開 基于Gromacs進行膜蛋白體系的分子動力學模擬
目前理論、模擬和實驗可謂解決科學問題的三輛并駕齊驅的馬車。今天以KALP15蛋白為例，主要介紹基于Gromacs進行膜蛋白體系的構建和模擬。
1. 蛋白結構預處理。首先通過可視化軟件（VMD、pymol等）檢查結構文件中的分子成分，去除不需要的組分。然后通過pdb2gmx命令講原始結構文件進行轉換并選擇相應力場。
2. 選擇合適的膜組分。根據自身需要選擇合適的磷脂成分（https://people.ucalgary.ca/~tieleman/download.html 可下載相關結構和力場）。并且在該步驟利用蛋白和磷脂力場構建需要的topol文件。
3. 選擇合適的蛋白和磷脂取向。由于膜蛋白的取向和在膜上的高度是固定的，因此要根據文獻報道確定合適的取向和位置。該步驟可使用trjconv和editconf等命令可以進行構象的調整。如圖所示
4. 磷脂對蛋白質的包裹。由于上個步驟中構建的體系僅僅是調整了取向，磷脂還是非常松散，因此需要將磷脂進行收縮堆積。這里參考使用了InflateGRO方法。通過genrestr命令對蛋白質進行位置限制，保證蛋白質位置不變，僅僅改變磷脂位置，讓其自身進行縮放，可縮放多次，直至達到結構的設定數值。
5. 模型構建完成之后，需要使用genion和solvate命令添加離子和水。但是此時需要注意，該步驟填充的水和離子會出現雙層膜之間，這種結構是不合理的，需要手動去除雙層膜熟睡核心的水分子。完成后結果如圖所示：
6. 隨后就可以通過grompp命令產生tpr文件并使用mdrun命令進行計算。
7. 結果分析：對于蛋白可以采用二級結構、RMSD等參數刻畫蛋白質特征，對于膜或者磷脂來說則可以通過序參數表征膜的有序程度例如有序相和無序相等。如圖所示：
也可以通過density命令分子膜的密度等特征。
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