分子動力學仿真的案例
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 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 力學所高溫氣體動力學國家重點實驗室（LHD）與大連化物所分子反應動力學國家重點實驗室（MRD）學術討
為進一步推動高溫氣體動力學領域的學科融合和交叉、促進實驗室開拓發展，8月31日LHD赴中科院大連化物所與分子反應動力學國家重點實驗室（MRD）開展學術討論。力學所黨委書記劉桂菊、學術委員會副主任姜宗林、LHD主任張新宇，大化所化學動力學研究中心主任楊學明院士、MRD主任張東輝院士等來自力學所和大化所的30余人參加討論會。會議由楊學明主持。
劉桂菊在致辭中表示，大化所、力學所各具風格和特點，相互學習和交流將可能產生重要的思想火花，促進合作的開展，LHD高度重視此次活動，針對預先溝通的四個主要問題準備研討內容主題，希望兩個國家重點實驗室進一步落實合作的切入點以及具體內容。
楊學明在致辭中向參會人員表示熱烈的歡迎，認為分子反應動力學和高溫氣體動力學關系到各自研究領域的下一步發展趨勢，期望通過交流找到學科交叉的具體合作點。
張新宇、楊學明分別介紹了LHD、化學動力學研究中心及MRD的總體情況和研究特點。本次會議共做8個專題學術報告，分別涉及化學動力學理論、高溫氣體動力學以及燃燒反應、大連相干光源、超聲速燃燒和光學測量、交叉分子束、激波管化學反應動力學、反應速率計算、高超風洞和稀薄氣體風洞等多個方面，與會成員展開熱烈討論。
會議雙方經過細致討論，決定成立工作組，在飛行器表面反應動力學、反應速率測量、風洞實驗中的光譜學和質譜學、交叉分子束動力學和重大科研平臺建設等方面開展合作。
展開 
Gromacs分子動力學培訓通知
一，軟件介紹
GROMACS是一個用于分子動力學模擬和能量最小化的計算引擎。 科技的發展已然遍布世界，對于事物的探討尤其是對微觀動力學現象的研究越來越依賴于計算機。. 由此，模擬技術與實驗、理論三者的結合是現在以及未來被認可和推廣的研究手段。. 分子動力學模擬不僅可以解釋實驗現象，驗證理論結果，而且還發揮著預見性作用。. 其在生物、醫藥、材料、化學等學科領域均有廣泛應用。. 在分子動力學的模擬研究中，一款開源、自由、免費的軟件GROMACS得到了廣泛的應用。. 它可以用于幾百萬個粒子體系的分子動力學模擬研究，特別是生物體系，比如磷脂雙分子層生物膜、蛋白質、藥物分子等。另外，GROMACS能夠非常快速地計算非鍵作用，因此也可用于非生物體系，如聚合物、一些有機物、無機物等。
二.培訓方式
本次培訓全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術交流，學員需要自行準備電腦。
三 培訓對象
需要使用Gromacs軟件進行科學研究的老師,學生以及其他研究人員.
四、培訓內容
針對gromacs軟件的常用模塊進行教學，包括蛋白與配體模擬分析，離子液體，小分子與細胞膜相互作用，同時介紹gromacs中的各分析模塊使用功能。具體內容如下：
1. 蛋白與配體模擬分析
蛋白質的預處理，配體分子建模
1.1分子動力學模擬的力場
1.2.分子動力學模擬的參數及方法
1.3復合物構象隨時間的變化
1.4.
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 分子動力學簡介及入門
應用
分子動力學可以用于NPT，NVE，NVT等系綜的計算，是一種基于牛頓力學確定論的熱力學計算方法，與蒙特卡洛法相比在宏觀性質計算上具有更高的準確度和有效性，可以廣泛應用于物理，化學，生物，材料，醫學等各個領域。
另外，在實際應用中，經常把分子動力學方法和蒙特卡羅法聯合使用。
材料模擬及分子動力學實戰班.pdf
第十一期lammps分子動力學模擬核心技術培訓班(1).pdf
藥物設計中的分子動力學
分子動力學（MD）模擬是基于結構的藥物設計的有用工具。一些情況下，在對接之前已經進行了蛋白質靶標的MD模擬以產生與晶體結構不同的可用蛋白質構象異構體。此外，在對接后進行MD模擬，評估命中化合物的預測結合模式作為最終在計算中和引導化學合成用于命中優化的過濾器。
1.MD作為分子片段映射到結合位點的工具
研究人員提出了MD作為工具分析蛋白質與小分子的結合自由能表面和結合途徑。由于可用的晶體結構和結合親和力的測量，研究人員將MD應用于FKBP的肽基脯氨酰順反異構酶和六個配體之間的非氫原子。研究人員通過色氨酸熒光猝滅測定法測得FKBP的親和力在高μM至低mM范圍內。對于每個配體產生了結合過程的構象空間網絡。
第一步中，沿著多個軌跡保存的相對位置和方向根據一組分子間距離進行聚類。集群被認為是網絡的節點，并且在MD模擬期間觀察到這些集群之間的直接轉換是網絡的鏈路。有趣的是，網絡分析揭示了以不同的分子間氫鍵和疏水接觸為特征的多種結合模式。此外，解離動力學顯示單指數時間依賴性，這表明完全解離的屏障顯著高于不同結合模式之間的屏障。
比較實驗和模擬方法是有啟發性的，用于分析片段與蛋白質結合的上述生物物理技術在時間和空間分辨率方面具有局限性。相比之下，MD模擬在原子細節水平上產生了自由能表面和結合途徑的完整圖像。
2.通過MD選擇構象異構體
蛋白質靶標的晶體結構表示折疊狀態下的許多狀態之一。大多數情況下，折疊狀態的整體拓撲在其子狀態中是保守的，但是在結合位點中甚至單個側鏈的不同方向可以顯著影響對接結果。
McCammon小組開發了一種方案來解決對接中的蛋白質柔性：首先，對載脂蛋白的MD模擬進行廣泛構象空間采樣。第二階段涉及到一個大型MD系綜幀的對接。
展開 LAMMPS分子動力學技術與應用
http://flac3d.cn/hdp/mdhs/zsb.html
VASP計算分子動力學 INCAR ￥20
使用的是NVE系綜
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 
關于分子動力學模擬的入門書籍
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 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 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。
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。
展開 