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1、课程学习报告：Molecular Dynamics(分子动力学)学生：Zws本节课汇报分四个内容1 Molecular Dynamics(MD)简介2 统计力学基础知识3 力场基础知识4 分子间势的发展一 MD 简介1 分子模拟 分子模拟：即根据物理和化学基本原理，利用计算机代替试验测量，获取相关物理和化学信息的方法。分子模拟作用：1 计算材料结构；2 计算材料性质；3 预测材料行为；4 验证试验结果；5 从微观角度认识材料 分子模拟的优势1 降低成本2 增进安全性3 实现通常条件下难以或无法进行的实验 超低温 超高压 此外，分子模拟还具有模拟较快或较慢反应，并帮助人们从微观角度认识材料的作用
2、。2 分子模拟原理 量子力学是利用波函数来研究微观粒子运动的一个物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的性质、结构的基本理论，量子力学与相对论一起构成现代物理基础。正是量子力学的出现，许多现象才得以被真正解释，基本上所有物理间的相互作用都可以用量子力学来描述。第一原理方法（First Principle）：以量子力学为基础，不借助于经验（实验）参数的方法。最为普遍的量子力学方法为从头计算法（ab initio method）。量子力学中一切电子的行为以其波函数表示。根据海森伯的测不准原理，量子力学仅能计算区间内电子出现的概率，其概率正比于波函数绝对值的平方。欲得到电子
3、的波函数，需求解薛定谔方程：式中，为薛定谔算子，为电子波函数，E为能量。虽然基于量子力学的从头算（ab initio）非常精确，但计算效率非常低，所计算的系统通常不超过100个原子。因此，量子力学的方法适用于简单的分子或电子数量较少的体系。而对于生化分子，聚合物等含大量原子及电子的系统，量子力学方法很难求解。为此，科学家们发展了分子模拟方法。分子力场：根据波恩-奥本海默近似原理，计算中将电子运动忽略，将系统的能量视为原子核位置的函数，即分子的能量随分子构型的变化而变化，描述分子能量和结构之间的函数就称为分子力场函数。注：波恩-奥本海默近似：因原子核质量比电子大很多，近似认为电子运动状态与核无关
4、，从而将求解整个体系的波函数的复杂过程分解为求解电子波函数和求解原子核波函数两个相对简单得多的过程。分子力场函数中的参数来自于量子力学计算或实验方法得到，相比于精确的量子力学从头算方法（ab initio）,虽然有些粗糙，但计算量要小数十倍，而且在适当范围内，分子力场的计算结果与量子力学计算结果接近，故对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之有效的方法。分子力学，分子动力学，蒙特卡洛方法等就是基于分子力场的分子模拟方法。蒙特卡洛(MC)方法：通过系统中质点的随机运动，结合统计力学的概率分配原理，来得到体系的统计及热力学性质。优点：不涉及时间时间效应，可以模拟平衡态。缺点：只能计算统计平均值，不能得到动态信息。而且粒子随机运动不符合物理学运动原理。分子动力学（MD）方法：是应用分子力场及根据牛顿运动原理所发展的计算方法。优点：系统中粒子运动有正确物理依据，准确性高，可以获得系统动态性质。缺点：无法模拟时间较长的运动问题。二 统计力学基础知识 统计力学：根据对物质微观结构及微观粒子相互作用的认识，用概率统计的方法，认为表征系统宏观性质的宏观量是大量微观粒子的统计平均值。统计力学是分子模拟的基础。1 配分函数（统计力学核心，通过配分函数可以计算系统的各种性质。）2 系综三 力场基础知识6 交叉作用项四 分子间势的发展