非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬的視頻教程
顯式非線性動(dòng)力學(xué)分析(模擬氣囊點(diǎn)爆時(shí)支架的抗沖擊性)
課程的基本內(nèi)容多數(shù)是汽車行業(yè)內(nèi)的常見的剛度強(qiáng)度碰撞分析，具體內(nèi)容 線性靜力學(xué)剛度分析（Optistruct or Abaqus） 顯式非線性動(dòng)力學(xué)分析（Ls-dyna explicit） 非線性靜力學(xué)強(qiáng)度分析（Abaqus or Ls-dyna implicit） 靈敏度分析（Optistruct） 拓?fù)鋬?yōu)化分析（Optistruct） 模態(tài)分析（Optistruct or Abaqus or Ls-dyna
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非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬的實(shí)例教程
圖4 初始二氧化硅的徑向分布函數(shù)
圖5 模擬產(chǎn)生的非晶二氧化硅的徑向分布函數(shù)
結(jié)語
本案例通CP2K分子動(dòng)力學(xué)模擬，成功探究了通過高溫退火產(chǎn)生非晶體二氧化硅的過程。對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個(gè)有力的工具，可以為解決實(shí)際問題提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
最后，有興趣歡迎通過公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
關(guān)鍵詞：GROMACS；小分子；自組裝；分子動(dòng)力學(xué)；回轉(zhuǎn)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(jī)理關(guān)乎膠束/囊泡形成、層狀有序相的出現(xiàn)以及功能納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相比僅觀察宏觀現(xiàn)象，分子動(dòng)力學(xué)（MD）能在原子尺度直接揭示小分子的自組裝機(jī)理，直觀體現(xiàn)其自組裝過程，從而為藥物，納米材料設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
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(gòu)建
首先利用Packmol構(gòu)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(gòu)建的匹格列酮四聚體初始模型結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 匹格列酮四聚體初始模型結(jié)構(gòu)
首先進(jìn)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(jìn)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(jīng)過2ns的平衡模擬后，可以看到四個(gè)匹格列酮小分子已經(jīng)成功發(fā)生了自組裝，如圖3所示：
圖3 模擬2ns后匹格列酮四聚體結(jié)構(gòu)
我們進(jìn)一步分析匹格列酮四聚體的回轉(zhuǎn)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(jīng)在進(jìn)行。
展開 SCIGRESS 先進(jìn)的分子建模和可視化功能使得研究者可以方便的導(dǎo)入多種實(shí)驗(yàn)方法所得的分子結(jié)構(gòu)，也可以輕松的建立一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。除了豐富的建模工具外， SCIGRESS也提供了強(qiáng)大的計(jì)算引擎和全面的分析工具。
分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算引擎Materials Explorer是由日本FUJITSU公司開發(fā)的一種高效的商業(yè)化的多用途分子動(dòng)力學(xué)軟件包。Materials Explorer功能非常強(qiáng)大，有63個(gè)力場(chǎng)供選擇，可以用來研究有機(jī)物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)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(shù)、抗張強(qiáng)度、粘度、熱導(dǎo)率、缺陷等。小分子藥物與生物大分子的對(duì)接以及小分子藥物的構(gòu)效關(guān)系一直是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)中兩項(xiàng) 非常重要的內(nèi)容。Scigress繼承了CAChe的功能，提供了這兩項(xiàng)計(jì)算功能。此外，Scigress還包括了使用廣泛的半經(jīng)驗(yàn)量化計(jì)算模塊。通過 Scigress，研究者可以完成掃描分子勢(shì)能面，確定化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，尋找反應(yīng)過渡態(tài)，分析紅外紫外光譜，明確分子軌道中的電子躍遷，常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模 擬，計(jì)算眾多材料體系的力學(xué)與熱力學(xué)性質(zhì)，模擬晶體的外延生長(zhǎng)與表面吸附的動(dòng)態(tài)行為，預(yù)測(cè)小分子在多孔材料中的分布情況，列舉分子的低能構(gòu)象，建立藥物分 子的構(gòu)效關(guān)系模型，完成小分子藥物與生物靶標(biāo)的對(duì)接等多種科研任務(wù)。
SCIGRESS 實(shí)現(xiàn)了Client-Server 構(gòu)架。研究者可以簡(jiǎn)便的利用位于Microsoft Windows 平臺(tái)下的界面進(jìn)行建模和結(jié)果分析，把大量的計(jì)算任務(wù)分配到服務(wù)器或計(jì)算集群中進(jìn)行。這樣就使得研究者可以對(duì)更大的體系進(jìn)行更精確的模擬計(jì)算。
展開 分子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介：
分子動(dòng)力學(xué)方法是一種計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)方法，是研究凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。該技術(shù)不僅可以得到原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，還可以觀察到原子運(yùn)動(dòng)過程中各種微觀細(xì)節(jié)。它是對(duì)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物物理和藥物設(shè)計(jì)等。經(jīng)典MD模擬，其系統(tǒng)規(guī)模在一般的計(jì)算機(jī)上也可達(dá)到數(shù)萬個(gè)原子，模擬時(shí)間為納秒量級(jí)。2006年進(jìn)行了三千二百億個(gè)原子的模擬（IBMlueGene/L）。
分子動(dòng)力學(xué)總是假定原子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和確定的軌跡聯(lián)系在一起。在忽略核子的量子效應(yīng)和Born-Oppenheimer絕熱近似下，分子動(dòng)力學(xué)的這一種假設(shè)是可行的。所謂絕熱近似也就是要求在分子動(dòng)力學(xué)過程中的每一瞬間電子都處于原子結(jié)構(gòu)的基態(tài)。要進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬就必須知道原子間的相互作用勢(shì)。
在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，我們一般采用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)來代替原子間的相互作用勢(shì)，如Lennard-Jones勢(shì)、Mores勢(shì)、EAM原子嵌入勢(shì)、F-S多體勢(shì)。然而采用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)必然丟失了局域電子結(jié)構(gòu)之間存在的強(qiáng)相關(guān)作用信息，即不能得到原子動(dòng)力學(xué)過程中的電子性質(zhì)。
詳細(xì)介紹請(qǐng)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(xué)建模，力學(xué)建模。初始條件的設(shè)定，這里要從微觀和宏觀兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。
第二步：過程。這里就是體現(xiàn)所謂分子動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的地方。包括對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的積分的有效算法。對(duì)實(shí)際的過程的模擬算法。關(guān)鍵是分清楚平衡和非平衡，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)以及準(zhǔn)靜態(tài)情況。
第三步：分析。這里是做學(xué)問的關(guān)鍵。你需要從以上的計(jì)算的結(jié)果中提取年需要的特征，說明你的問題的實(shí)質(zhì)和結(jié)果。因此關(guān)鍵是統(tǒng)計(jì)、平均、定義、計(jì)算。
展開 圖1：利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的材料（此材料為Cr2O3固體）各種機(jī)械性質(zhì)。
2. 熱力學(xué)性能：聲子態(tài)密度，比熱容（等容或等壓），熔點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)（1D-3D），等溫壓縮系數(shù)，熱導(dǎo)率（僅限非金屬材料，例如石墨烯等），等等。
圖2：利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的材料（此材料為銅-銀納米顆粒）熱力學(xué)各性質(zhì)。
· 各尺度材料的動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(jié)過程：例如不同溫度，壓力 ，顆粒的大小，等等。
圖4：利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的銅銀納米顆粒及納米線在不同溫度下的燒結(jié)過程
3. 焊接過程：例如, 鎳、鋁納米顆粒與Inconel 718合金的浸潤(rùn)或者焊接過程
圖5：利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的鎳納米顆粒在鎳基板上的浸潤(rùn)過程以及焊接Inconel 718合金的過程
4. 固相或液相擴(kuò)散過程：例如θ’-Al2Cu沉積相在鋁合金中的擴(kuò)散及生長(zhǎng)，可計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散激活能等。
圖6：利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的θ′-Al2Cu在鋁合金中的擴(kuò)散過程。
來源：海納有限元服務(wù)號(hào)
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非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬的最新內(nèi)容
關(guān)鍵詞：GROMACS；小分子；自組裝；分子動(dòng)力學(xué)；回轉(zhuǎn)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(jī)理關(guān)乎膠束/囊泡形成、層狀有序相的出現(xiàn)以及功能納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相比僅觀察宏觀現(xiàn)象，分子動(dòng)力學(xué)（MD）能在原子尺度直接揭示小分子的自組裝機(jī)理，直觀體現(xiàn)其自組裝過程，從而為藥物，納米材料設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
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
分子動(dòng)力學(xué)模擬-礦物表面潤(rùn)濕性1個(gè)月前
關(guān)鍵詞：頁巖油，分子動(dòng)力學(xué)，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(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究礦物表面潤(rùn)濕性。
通過我這套LAMMPS, GROMACS代碼，你可以實(shí)現(xiàn)不同氛圍氣體，不同溫度下的潤(rùn)濕性-接觸角計(jì)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(jìn)行研究。
基于GROMACS的冰的拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬2個(gè)月前
Sophia
關(guān)鍵詞：GROMACS；冰；拉伸; 分子動(dòng)力學(xué)模擬
冰（尤其是六方冰?Ih）的微觀力學(xué)性能直接影響到極地工程、寒區(qū)交通、冷熱循環(huán)材料以及航空航天器在超低溫環(huán)境中的安全與可靠性。傳統(tǒng)宏觀實(shí)驗(yàn)很難捕獲納米尺度下冰的裂紋萌生與氫鍵斷裂細(xì)節(jié)，而分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬恰能在原子層面揭示這些本質(zhì)機(jī)理。借助?GROMACS?這一高性能開源 MD模擬軟件，我們?cè)诒景咐袑?duì)?Ih冰進(jìn)行拉伸模擬
關(guān)鍵詞：頁巖油，分子動(dòng)力學(xué)，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(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究體相CO2/原油的混相機(jī)理。
通過我這套LAMMPS, GROMACS代碼，你可以實(shí)現(xiàn)不同氣體，不同油種類，不同溫度下的油氣界面張力和最小混相壓力計(jì)算。這套代碼還可以把氣體換成水，在氣體/水中加入表面活性劑
關(guān)鍵詞：GROMACS；NaCl；氣液界面; 分子動(dòng)力學(xué)；packmol
海水淡化、海氣相互作用及儲(chǔ)能電解質(zhì)等領(lǐng)域，需要研究鹽溶液在氣?液界面處的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。相比宏觀實(shí)驗(yàn)，分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬可直接揭示 Na+、Cl- 以及水分子在界面處的分布與取向，為理解表面張力、離子特異性（Hofmeister
基于CP2K的高溫下烷烴裂解分子動(dòng)力學(xué)模擬6個(gè)月前
關(guān)鍵詞：CP2K；烷烴；裂解；高溫；分子模擬
在有氧氣的情況下，物質(zhì)在高溫下發(fā)生的分解稱為燃燒，而在沒有氧氣的情況下則稱為熱解。烷烴的質(zhì)量越大，支鏈越多，熱解的速率通常也會(huì)越大。烷烴的裂解涉及到C-C和C-H鍵的斷裂，是自由基機(jī)理。本案例將通過CP2K軟件實(shí)現(xiàn)烷烴的熱解反應(yīng)。
初始模型的構(gòu)建
首先通過packmol軟件將10個(gè)正葵烷插入到3*3*3 nm3的立方盒子中，輸入文件如圖1所示
關(guān)鍵詞：GROMACS；酒精-水混合物；互溶性；分子動(dòng)力學(xué)；氫鍵分析
背景介紹
酒精與水的互溶行為在化學(xué)、材料、生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域中具有重要意義。例如，藥物溶液設(shè)計(jì)、溶劑工程、生物膜相互作用等都依賴于對(duì)醇-水體系微觀結(jié)構(gòu)的深入理解。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)雖然能觀察到宏觀性質(zhì)變化，但在分子尺度上的機(jī)理揭示仍需借助分子動(dòng)力學(xué)模擬。
本案例基于GROMACS軟件，模擬分析乙醇-水混合液體系的互溶過程與氫鍵網(wǎng)絡(luò)特征
基于CP2K的高溫下烷烴裂解分子動(dòng)力學(xué)模擬8個(gè)月前
關(guān)鍵詞：CP2K；烷烴；裂解；高溫；分子模擬
在有氧氣的情況下，物質(zhì)在高溫下發(fā)生的分解稱為燃燒，而在沒有氧氣的情況下則稱為熱解。烷烴的質(zhì)量越大，支鏈越多，熱解的速率通常也會(huì)越大。烷烴的裂解涉及到C-C和C-H鍵的斷裂，是自由基機(jī)理。本案例將通過CP2K軟件實(shí)現(xiàn)烷烴的熱解反應(yīng)。
初始模型的構(gòu)建
首先通過packmol軟件將10個(gè)正葵烷插入到3*3*3 nm3的立方盒子中，輸入文件如圖1所示
關(guān)鍵詞：GROMACS；電場(chǎng)；水球; 分子動(dòng)力學(xué)；packmol
在材料科學(xué)、電氣工程以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水球行為在外加電場(chǎng)下的變化具有重要意義。電場(chǎng)對(duì)水分子的影響不僅關(guān)系到液體的表面張力，還與電介質(zhì)的性能、微流控技術(shù)的應(yīng)用及生物細(xì)胞的電場(chǎng)響應(yīng)等問題密切相關(guān)。因此，通過分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究電場(chǎng)下水球行為成為一種有效且精確的手段。而GROMACS作為一種高效的開源MD模擬軟件，在模擬液體在外場(chǎng)影響下的行為方面具有強(qiáng)大的技術(shù)支持
關(guān)鍵詞：GROMACS；有機(jī)物；萃取; 分子動(dòng)力學(xué)；packmol
有機(jī)物萃取作為一種重要的分離和提純技術(shù)，廣泛應(yīng)用于石油化工、環(huán)境保護(hù)、制藥等領(lǐng)域。通過液-液萃取過程，有機(jī)溶劑與目標(biāo)有機(jī)物在液相中相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高效分離。然而，由于萃取過程涉及到復(fù)雜的分子間相互作用，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以精確揭示其微觀機(jī)制。隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)的發(fā)展，基于GROMACS的有機(jī)物萃取過程分子模擬為我們提供了新的研究手段
