实验四：介观动力学模拟-27396

1《计算材料学》实验讲义实验八：介观动力学模拟一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微秒）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipativeparticledynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’sequation）来描述体系演化的动力学。（1）MS-Mesocite简介MSMesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。MSMesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MSMesocite的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MSMartini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、2和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。同时，您还可以使用力场编辑工具对MSMesocite的力场进行编辑，以获得满足特殊要求的力场，从而拓展了MSMesocite的应用范围。应用Mesocite进行动力学模拟时，最主要的是得到精确的力场。Martini力场，是由Marrink提出的，可以应用于生物分子体系。Martin力场中包括四种主要的力场类型：极性（polar-P）、非极性（apolar-C）、无极性（nonpolar-N）、带电（charged-Q）。每种力场类型又分为若干子类型，极性和非极性根据极性高低下分有五种类型（用下坐标1-5表示），无极性和带电的更具氢键结合能力分为四种类型（d-氢键供体，a氢键受体，da-两个都有，o-都没有），这样使得Martini力场能够更加精确的描述体系性质，应用于更多不同的有机分子体系。二、实验目的1、了解介观模拟方法及应用领域2、了解Martini力场的3、掌握Mesocite模块的基本操作三、实验内容以下以介观动力学模拟脂质双分子层为例，熟悉Mesocite的基本操作。1、打开MS，选择creatednewproject，键入CG-bilayer作为工程的名称，点击OK。本实例是在软件所有参数在默认的情况下进行的，选择Tools-SettingsOrganizer，选中CG-bilayer，点击Reset。2、建脂质分子，建模过程要用到Mesostructuretoolbar，如在工具栏中没有此建模工具，点击菜单栏中的view-toolbar-mesostructure，调出此建模工具。（1）点击BeadTypes按钮，打开BeadTypes对话框。点击Properties…按钮，打开BeadTypeProperties对话框，点击Defaults…按钮，设置Mass为72，Radius为2.35，关闭BeadTypeDefaults和BeadTypeProperties对话框。在BeadTypes对话框中，定义一下珠子类型：C、GL、PO和NC，关闭对话框。3（2）点击Mesomolecule按钮，打开BuildMesomolecule对话框。定义粗粒化分子，依次选择4个C、1个GL、1个PO、1个GL和4个C，确定不选Randomizeorderwithinrepeatunit，点击Build按钮。在Mesomolecule.xsd文件中左击PO珠子，删除BuildMesomolecule对话框中所有的珠子。选中Addtobranchpoints，点击more…按钮，打开MesomoleculeBranches对话框。设置Numberofbranchestoattach为1，关闭对话框。在BuildMesomolecule对话框中选择1个NC。点击Build按钮。（在显示面板中右击，选择Label，打开label对话框，在properties一栏中选择BeadTypeName，点击Apply，可以检测建立的粗粒化分子是不是正确，可以对比下图。（3）关闭BuildMesomolecule对话框。在ProjectExplorer，把Mesomolecule.xsd文件名改为DPPC.xsd。我们得到以下粗粒化分子结构：3、更改Martini力场，分配力场，优化脂质分子。（1）选择Modules-Mesocite-ForcefieldManager或点击Mesocitetools，选择ForcefieldManage，选择MSMartini，点击，打开力场文件。在ProjectExplorer中，把文件名改为MSMartiniCIS.off。（2）打开MSMartiniCIS.off文件，点击Interactions。在Showinteraction下拉选项中选择AngleBend。在空白框中，设置Fi和Fk到Na以及Fj到Qa。改变FunctionalForm为CosineHarmonic设置TO为120，KO为10.8。关闭力场文件并保存。（3）选择Modules|Mesocite|Calculation或点击Mesocitetools选择Calculation;打开MesociteCalculation对话框，点击Energy，在Forcefield的下拉选项中选择Browse...，在ChooseForcefield对话框中选择MSMartiniCIS.off。4（4）打开DPPC.xsd文件。按下ALT键，双击任意C类型珠子，选中所有的C类型珠子。在MesociteCalculation对话框中，点击More...打开MesociteProparationoptions对话框，选择C1，点击Assign按钮。重复此步，为GL、PO、NC分配力场，分配类型如下表所示：BeadTypeNameMSMartiniForcefieldTypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0选择PO珠子，在PropertiesExplorer中，设置Charge为-1，同样把NC设置为1。（5）在MesociteCalculation对话框中，点击Setup，改变Task为GeometryOptimization。点击Run按钮。得到以下结构：（6）在工具栏中，选择Measure/Change按钮，下拉选项中点击Angel，依次点击左边的C-GL-PO,同样选择右边的PO-GL-C。此时会显示出两个接近156.50的角度，选在两个角度，在PropertiesExplorer中，设置Angels为230。按下ALT键，双击角度，按下Delete。得到以下分子结构：5（7）参照第二步，定义珠子W，用BuildMesomolecule建模工具，建立一个仅包含W的粗粒化分子。更改文件名为solvent.xsd。4、建立双分子层结构。（1）选择Build|BuildMesostructure|MesostructureTemplate或点击Mesostructuretoolbar中的MesostructureTemplate，打开BuildMesostructureTemplate对话框。改变X、YExtents为64，ZExtent为100。在Filler中，键入solvent。点击Build按钮。在BuildMesostructureTemplate对话框中，改变Formertype为Slab。改变Depth为44.15，Orientation为AlongZ。选中Enablesurfacepacking;在Filler中键入lipid。点击Add，关闭对话框。（2）选择Build|BuildMesostructure|Mesostructure或点击Mesostructuretoolbar中的Mesostructure，打开BuildMesostructure对话6框。solventfiller中的MesoscaleMolecule，选择solvent.xsd。lipidfiller选择优化的DPPC.xsd。点击Packing，设置Lengthscale(L)为1，Density为0.00836；不选Randomizeconformations。在Packing中，点击More...按钮，打开BeadPackingOptions对话框；双击打开已经优化过的DPPC.xsd。选择NC，点击CreatebeadHeadsetfromselection按钮。按下CTRL+D取消选定，之后按下CTRL键，选择尾部的两个C珠子。在BeadPackingOptions对话框中，改变Beadtag为Tail，点击CreatebeadTailsetfromselection。关闭对话框。标记后的DPPC结构如下：（3）双击mesostructuretemplate.msd。在BuildMesostructure对话框中，点击Build按钮。得到下图所示结构：7（4）在菜单栏中选择File|Export...，打开Export对话框，在保存类型下拉选项中选择MaterialsStudio3DAtomisticFiles(*.xsd)，点击Options...按钮，打开MSD/MTDExportOptions对话框，设置Lengthscale为1，点击OK。改变文件名为bilayer.xsd，保存在（I）：选择当前工程的根目录下的CG-bilayerFiles/Documents。点击保存（S）。此时在projectexplorer会出现一个名为bialyer.xsd的文件。（5）在菜单栏中选择File|SaveProject，选择Window|CloseAll。5、体系优化及动力学过程。在ProjectExplorer中，双击bilayer.xsd，打开文件。（1）分配力场：如第三步中的第四小步，为每种粗粒子珠子分配力场，分配电荷。分配类型如下表所示：BeadTypeNameMSMartiniForcefieldTypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40（2）第一次构型优化打开MesociteCalculation对话框；点击Energy按钮，在summationmethod中的Electrostatic的下拉选项中选择Beadbased。确保MesociteCalculation/Setup中的Task为GeometryOptimization；选中MesociteCalculation/JopControl中的Runinparallelon[]ofiprocessors，把可用的CPU调到最大值（此后在几何优化过程，还是动力学过程，为了充分利用服务器，CPU都调到最大值）。8点击Run。（3）第二次构型优化双击打开优化过的bilayer.xsd在MesociteCalculation对话框中选择Setup按钮；点击More