分子动力学简介

分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。

原理简介

分子动力学(MD)是一种用于分析原子和分子物理运动的计算机模拟方法。原子和分子被允许在一段固定的时间内相互作用，从而可以看到系统的动态“进化”。
如下图所示，当一个原子沉积在一个晶体上时，由于原子之间的吸引力，它并没有反弹，而是保持附着状态。随着时间的迁移，我们可以看到从顶部接近的原子的动能在其他原子之间进行了重新分配。

分子动力学的一个简单模拟图.gif

分子动力学计算是求解体系的运动方程，得到体系在空间变化轨迹的过程。体系的状态可由其所包含的原子的位置、动量或速度来表示，设体系的总能量为，则运动方程为：

$\left\{\begin{aligned}\frac{\partial}{\partial t }P=-\frac{\partial}{\partial r}H \\ \frac{\partial}{\partial t }r=-\frac{\partial}{\partial P}H \end{aligned}\right.$

一般来说，上述方程会转化为牛顿方程进行计算，原子和分子的轨迹是通过数值求解粒子相互作用系统的牛顿运动方程来确定的。其中粒子之间的力和它们的势能通常是通过原子间势或分子力学力场来计算的。

$E_{total}=E_s+E_b+E_{tor}+E_{vdw}+E_{elec}$

$E_s$ 键的伸缩能：成键原子间相互作用力
$E_b$ 键角弯曲能：成键角度的影响
$E_s$ 键的扭曲能：化学键旋转时的能量变化
$E_{tor}$ 非键作用：分子间相互作用力，
$E_{elec}$ 非键作用：静电相互作用

分子力学力场方法的基本原理是最小作用量原理，在分子内部化学键都有“自然”的键长值和键角值。分子要调整它的几何形状(构象)，以使其键长值和键角值尽可能接近自然值，同时也使非键作用处于最小的状态。
举个例子，原子之间靠近时相互排斥，为了减少这种作用，原子就趋于相互离开；但是这将使键长伸长或键角发生弯曲，又引起了相应的能量升高。最后的构型将是这两种力折衷的结果,并且是能量最低的构型”。

分子动力学算法

分子动力学算法的一个简单流程.png

QM/MM

MD是一种基于牛顿力学确定论的热力学计算方法，与蒙特卡洛法相比在宏观性质计算上具有更高的准确度和有效性，可以广泛应用于物理，化学，生物，材料，医学等各个领域。
但是MD没有考虑电子转移效应，不能准确模拟化学成键；需要大量的参数；且获得的能量估计不是非常准确。因此，一种新的方法QM/MM出现，它结合了QM(量子力学)的精度和MM(分子力学)的速度的优点。一般来说，它将系统的一小部分(如酶的活性位点)进行量子力学处理，其余部分进行经典处理。

最后编辑于：2020.08.10 19:09:49