非平衡分子動力學模擬的案例
基于CP2K的退火產生非晶態二氧化硅分子動力學模擬
圖4 初始二氧化硅的徑向分布函數
圖5 模擬產生的非晶二氧化硅的徑向分布函數
結語
本案例通CP2K分子動力學模擬，成功探究了通過高溫退火產生非晶體二氧化硅的過程。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，有興趣歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
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 分子動力學模擬介紹
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（IBMlueGene/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。
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 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 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 關于分子動力學模擬的入門書籍
入門階段，首先你要知道你想做什么，最好是找個看起來不太難的文章照著把里面的模擬自己重復一遍。因為全原子模擬大都是用一些軟件來進行的，因此你首先需要的是學會一些軟件的使用，常用的生物分子模擬軟件包括：Gromacs、Amber 和 NAMD 等等，材料有關的模擬還有 Lammps 等軟件。學這些東西的時候首先主要是要知道模擬的基本流程以及實現的方法，包括怎樣搭建模擬的體系、各種文件格式的轉換、系綜與盒子的選擇、水及離子、能量極小化等等，等到模擬的軌跡出來怎樣對數據進行處理，等到之后還可以學習軟件里面的一些插件，例如一些加速采樣的方法等等。
自己學一種語言的話，在初期，做 MD 比較重要的是腳本語言，包括 Shell 腳本或者其它你自己喜歡的腳本。因為最終你還是不太可能完全在自己的電腦上跑程序的，所以要有一個你自己用得比較熟的、能對大規模的數據進行處理的語言，我覺得 Python 是很適合的，而且里面的 Prody，Matplotlib 等等各種包都非常好用。
入門之后，如果希望自己通過一些量子化學的計算結果去調整和修改現有的力場，那么需要能看懂其他人的代碼，這種時候很可能會需要能讀懂 Fortran 的代碼。如果自己喜歡做一些簡化模型自己弄著玩，用 Python 之類的寫起來是簡單，但是效率太低，還是需要會一點點 C 或者 C++，當然語言只是一方面，更重要的是自己要結合實際的體系做一些最簡單的優化。
相比起書籍來，還可以關注一些做模擬的學術們聚集的論壇和社區，例如：小木蟲、分子模擬論壇、ResearchGate 等等。
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
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展開 分子動力學模擬 心得 適合新手
在完成了這些，可以說你已經把最主要的分子動力學程序都完成了。
那么，接下來就是復雜的分子動力學算法了，試著選擇PR算法來代替Anderson壓強算法，然后選擇Metric-tensor來代替PR算法；選擇 Nose-Poincare來代替Nose-Hoover算法，選擇Generalized-Leap-Frog算法來替代預測校正算法，用Wolf來替代Ewalds算法，這些一步步的改進都會讓你有很多新的發現。你會覺得你的程序達到了現在大部分軟件包沒有的功能。隨著規模的增大，你可以選擇 Verlet列表，原胞列表、結合法以及快速排序來實現鄰位算法，如果再有了openmp并行計算的加入，你會發現你的程序已經有了一個質的突破。
當這些都完成了以后，接下來就可以改變勢函數來模擬不同的材料了，而且你對分子動力學的理解也會上升到一個新的高度，此外，其余相關的結果也不會是問題了，例如，彈性模量的計算，MSD，徑向分布函數等等。你可以直接的加入代碼來實現你想要的過程。
很多好的文章請關注微信公眾號： 互動派教育
http://flac3d.cn/hdp/grom/zwt.html
http://www.hdpaii.com/
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（轉）分子動力學模擬結果欣賞
（轉）分子動力學模擬結果欣賞
腐蝕介質擴散行為的分子動力學模擬
模型參數和收斂和能量數據如圖所示：
分子動力學過程：
腐蝕介質粒子在緩蝕劑膜中的擴散行為的模擬通過forcite模塊的正則系綜(NVT)來實現,模擬溫度為 298 K，溫度采用 Andersen方法控制，各分子起始速度由Maxwell-Boltzmann分布隨機產生，運用 velocityverlet 算法叫求解牛頓運動方程.
通過溫度和能量判據來判斷體系是否已達到平衡，下圖為緩蝕劑分子在緩蝕劑膜中擴散時體系的能量和溫度隨時間演化曲線：
分子動力學后的穩定構型：
MSD曲線：
結論：
?緩蝕劑膜均可有效阻礙腐蝕介質向金屬表面擴散，從而達到緩蝕效果。
?同種緩蝕劑膜對帶電粒子擴散的抑制能力明顯強于對中性粒子。
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展開 基于Gromacs的蛋白水溶液分子動力學模擬
能量最優化后首先保持蛋白質不動，對蛋白質周圍水環境進行動力學模擬，該過程稱為位置限制性分子動力學，對溶劑分子進行平衡計算，可以使溶劑分子填補空間：
gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
運行：
gmx mdrun -deffnm nvt
檢測溫度是否平衡
gmx energy -f nvt.edr -o temperature.xvg
10. 平衡壓力
gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr
運行：
gmx mdrun -deffnm npt
檢測壓力和密度情況
gmx energy -f npt.edr -o pressure.xvg
gmx energy -f npt.edr -o density.xvg
11. 分子模擬
gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md_0_1.tpr
運行：
gmx mdrun -deffnm md_0_1
如果大家已做完前面的步驟，得到了模擬后的文件，就可以繼續對結果進行分析，采取什么方法分析取決于你想解決什么樣的問題，是比較野生型與突變體結構的差別還是分析底物與受體之間的作用力，這里列舉幾個我常用的方法，希望對大家能有幫助。
gmx trjconv -s md_0_1.tpr -f md_0_1.xtc -o md_0_1_noPBC.xtc -pbc mol-ur compact
選擇0：system用于輸出，基于這個“修正”后的軌跡進行分析。
1.
展開 分子動力學模擬的入門書籍 [推薦]【轉】
入門階段，首先你要知道你想做什么，最好是找個看起來不太難的文章照著把里面的模擬自己重復一遍。因為全原子模擬大都是用一些軟件來進行的，因此你首先需要的是學會一些軟件的使用，常用的生物分子模擬軟件包括：Gromacs、Amber 和 NAMD 等等，材料有關的模擬還有 Lammps 等軟件。學這些東西的時候首先主要是要知道模擬的基本流程以及實現的方法，包括怎樣搭建模擬的體系、各種文件格式的轉換、系綜與盒子的選擇、水及離子、能量極小化等等，等到模擬的軌跡出來怎樣對數據進行處理，等到之后還可以學習軟件里面的一些插件，例如一些加速采樣的方法等等。
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