1计算材料物理-第一章

计算材料物理第一章分子动力学1什么是计算材料学？材料科学计算机科学计算材料物理数学生物化学物理结构性质Howatomsformmolecules?Howatomsformmolecules?Howatomsformmolecules?Howatomsformmolecules?Howatomsformmolecules?Howatomsformmolecules?Howatomsformmolecules?势能是原子坐标的函数能量最低原理原子结合在一起形成分子，可以有很多种构型（构象），自然界倾向于能量最低的构象。能量包括动能和势能，假定原子静止，只考虑势能势能由分子的构型决定，是原子坐标（即几何结构）的函数寻找稳定的构象，即寻找势能函数的极小值点对应的原子坐标于是寻找稳定的构象转化为了寻找函数的极值问题势能面与能量最小化势能函数可以用势能面来表示Potentialenergysurface(PES)势能面上的每个点对应一个可能的结构寻找稳定的结构即为寻找势能面上的极小值点势能函数（势能面）的维数对于含有N个原子的分子，有3N个笛卡尔坐标，因此势能可以看作3N个坐标变量的函数U(x1,y1,z1;x2,y2,z2;…;xN,yN,zN)如果考虑内坐标，只有3N-6个内坐标，因此势能可以看作3N-6个坐标变量的函数？Why势能面势能面势能面势能函数的维数等于体系的自由度可以固定一些自由度，对所关心的自由度画出势能面势能面上可以有不止一个极小值点这些极小值中能量最低的称为全局能量极小(globalenergyminimum)，对应分子最稳定的构象由势能面求极小值的过程称为能量优化(energyoptimization)，其所对应的结构成为优化结构(optimizedstructure)能量优化的两个基本问题如何确定势能函数的形式？（经典力学和量子力学）已知势能函数形式后如何找到极小值和全局极小值？（数值方法）力场以数学形式表达的势能函数称为力场ForceField比如两个原子之间的势能用二次函数表示2021rrkrUForceFieldInthecontextofmolecularmechanics,aforcefield(alsocalledaforcefield)referstothefunctionalformandparametersetsusedtodescribethepotentialenergyofasystemofparticles(typicallybutnotnecessarilyatoms).Forcefieldfunctionsandparametersetsarederivedfrombothexperimentalworkandhigh-levelquantummechanicalcalculations.Theusageofthetermforcefieldinchemistryandcomputationalbiologydiffersfromthestandardusageinphysics.Inchemistryusageaforcefieldisdefinedasapotentialfunction,whilethetermisusedinphysicstodenotethenegativegradientofascalarpotential.(chemistry)ForceFieldAll-atomforcefieldsprovideparametersforeveryatominasystem,includinghydrogen,whileunited-atomforcefieldstreatthehydrogenandcarbonatomsinmethylandmethylenegroupsasasingleinteractioncenter.Coarse-grainedforcefields,whicharefrequentlyusedinlong-timesimulationsofproteins,provideevenmoreabstractedrepresentationsforincreasedcomputationalefficiency..(chemistry)键伸缩BondStretching力场作用项BU力场作用项键角弯曲BondAngleBendingAU力场作用项二面角扭曲TorsionAngleTU力场作用项离平面弯曲Out-of–planeBendingOU力场作用项范德瓦尔斯相互作用vanderWaalsinteractionVU力场作用项库仑相互作用Columbic(electrostatic)InteractionCU力场作用项氢键HydrogenBond力场的势函数形式分子内的相互作用键伸缩BondStretching键角弯曲BondBending二面角扭曲TorsionAngle离平面弯曲Out-of–planeBending分子间的相互作用(non-bondedinteraction)范德瓦尔斯相互作用vanderWaalsinteraction库仑相互作用ColumbicInteraction力场的势函数形式总势能函数CVOTABUUUUUUU力场的势函数形式键伸缩BondStretching简谐(harmonic)函数（二次函数）形式2021rrkUB力场的势函数形式键伸缩BondStretching更高次函数近似（MM3）4043032021rrkrrkrrkUB力场的势函数形式键伸缩BondStretchingMorsepotential201rraBeDU力场的势函数形式键角弯曲BondAngleBending一般也采用简谐函数形式2021AAkU力场的势函数形式键角弯曲BondAngleBending更高次数形式4043032021AAAAkkkU力场的势函数形式二面角扭曲TorsionAngleNnnnTnVU0cos121力场的势函数形式二面角扭曲TorsionAngle3cos12cos1cos121321VVVUT://chembytes.wikidot.com/mm-md力场的势函数形式离平面弯曲Out-of–planeBending一般也采用简谐函数形式此项并非总是必须的2021OOkU力场的势函数形式范德瓦尔斯相互作用126ijijijijVrBrAU力场的势函数形式库仑相互作用ijRjiVrqqU04力场的势函数形式(kcal/mol)Bondstretching100AngleBending10Torsion1HydrogenBond2Electrostaticinteraction0.5VanderWaals0.1力场的势函数形式丙烷的势能函数10个键（2个C-C,8个C-H）18个键角（1个C-C-C,10个C-C-H,7个H-C-H）18个二面角（12个H-C-C-H,6个H-C-C-C）27个非键作用（21个H-H，6个H-C）不同的力场MM力场AMBER力场CVFF力场CFF,CFF91,CFF95,PCFF,MMFF93ESFF,UFF,DREDINGCOMPASS力场(chemistry)力场NormanL.Allinger(UniversityofGeorgia)directorofUGA'sComputationalCenterforMolecularStructureandDesignandprofessoremeritusofchemistry,haswontheBenjaminFranklinMedal,amajorinternationalcareerachievementawardthatisoftenreferredtoastheAmericanNobel.“主要用于有机物MM力场MM力场势能函数各项形式MM力场交叉作用项键与键的交叉作用键长与键角的交叉作用键伸缩和二面角扭曲的交叉项Amber力场PeterKollman(July24,1944–May25,2001)UniversityofCalifornia,SanFranciscoAssistedModelBuildingwithEnergyRefinementAmberToolsandAmber10AmberForceFieldparameters主要用于较小的蛋白质、核酸、多糖Amber力场Amber力场势能函数AMBER力场参数主要来自于计算结果和实验的对比；CHARMM力场MartinKarplusHarvardUniversityChemistryatHARvardMacromolecularMechanics参数除来自计算结果和实验对比，还引用量子力学计算结果主要用于研究分子系统，从小的有机分子到大的生化分子，不适用于有机金属分子CHARMM力场CHARMM力场势能函数氢键CVFF力场Consistentvalenceforcefield(CVFF)主要用于有机生化分子，氨基酸、多肽、蛋白质力场分类传统力场MMX力场：MMX力场包括MM2,MM3,MM4，是目前应用最为广泛的一种力场，主要针对有机小分子AMBER力场：由Kollman课题组开发的力场，是目前使用比较广泛的一种力场，适合处理生物大分子。CHARMM力场：由Karplus课题组开发，对小分子体系到溶剂化的大分子体系都有很好的拟合。CVFF力场：CVFF力场可以用于小分子和大分子体系计算。力场分类第二代力场第二代的势能函数形式比传统力场要更加复杂，涉及的力场参数更多，计算量也更大，当然也相应地更加准确。CFF力场：是一个力场家族，包括了CFF91、PCFF、CFF9