1、分子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介：
分子動(dòng)力學(xué)方法是一種計算機模擬實(shí)驗方法，是研究凝聚態(tài)系統的有力工具。該技術(shù)不僅可以得到原子的運動(dòng)軌跡，還可以觀(guān)察到原子運動(dòng)過(guò)程中各種微觀(guān)細節。它是對理論計算和實(shí)驗的有力補充。廣泛應用于材料科學(xué)、生物物理和藥物設計等。經(jīng)典MD模擬，其系統規模在一般的計算機上也可達到數萬(wàn)個(gè)原子，模擬時(shí)間為納秒量級。2006年進(jìn)行了三千二百億個(gè)原子的模擬（IBMlueGene/L）。
分子動(dòng)力學(xué)總是假定原子的運動(dòng)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(shuō)原子的運動(dòng)和確定的軌跡聯(lián)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(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)過(guò)程中的每一瞬間電子都處于原子結構的基態(tài)。要進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬就必須知道原子間的相互作用勢。
在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，我們一般采用經(jīng)驗勢來(lái)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(jīng)驗勢必然丟失了局域電子結構之間存在的強相關(guān)作用信息，即不能得到原子動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的電子性質(zhì)。
詳細介紹請見(jiàn)附件。
2、分子模擬的三步法和大致分類(lèi)
三步法：
第一步：建模。包括幾何建模，物理建模，化學(xué)建模，力學(xué)建模。初始條件的設定，這里要從微觀(guān)和宏觀(guān)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。
第二步：過(guò)程。這里就是體現所謂分子動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的地方。包括對運動(dòng)方程的積分的有效算法。對實(shí)際的過(guò)程的模擬算法。關(guān)鍵是分清楚平衡和非平衡，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)以及準靜態(tài)情況。
第三步：分析。這里是做學(xué)問(wèn)的關(guān)鍵。你需要從以上的計算的結果中提取年需要的特征，說(shuō)明你的問(wèn)題的實(shí)質(zhì)和結果。因此關(guān)鍵是統計、平均、定義、計算。比如溫度、體積、壓力、應力等宏觀(guān)量和微觀(guān)過(guò)程量是怎么聯(lián)系的。
有了這三步，你就可以做一個(gè)好的分子動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家了。推而廣之，其實(shí)所謂的介觀(guān)模擬，蒙特卡羅模擬、有限元模擬都是一個(gè)道理。
大致分類(lèi)：
2.1電子模擬（量化計算，DFT）
?量子化學(xué)計算，一般處理幾個(gè)到幾十個(gè)原子；常見(jiàn)軟件：GAUSSIAN，NWCHEM等
?密度泛函（DFT），可以算到上百個(gè)原子；常見(jiàn)軟件：VASP
2.2分子模擬（分子動(dòng)力學(xué)，蒙特卡洛）
2.2.1分子級別的模擬
?分子水平的模擬，以分子的運動(dòng)為主要模擬對象，采用經(jīng)驗性的分子間作用函數模擬微粒之間的作用。一般情況下不考慮電子轉移效應，因而不能準確模擬化學(xué)成鍵作用
?發(fā)展最早
?1950s，Alder，勞倫斯利物默實(shí)驗室，分子動(dòng)力學(xué)模擬32個(gè)原子
?1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯實(shí)驗室，蒙特卡洛模擬32個(gè)原子
?分子級別的模擬應用的領(lǐng)域很廣，廣泛應用于化學(xué)，物理，生物，化工，材料，機械，治藥等領(lǐng)域
?簡(jiǎn)單易學(xué)
2.2.2蒙特卡洛方法
?蒙特卡洛是一種優(yōu)化方法，通過(guò)蒙特卡洛算法來(lái)尋求能量最優(yōu)點(diǎn)
?隨機方法：通過(guò)系綜平均來(lái)求取宏觀(guān)性質(zhì)，模擬的是平衡狀態(tài)，不涉及時(shí)間效應（KMC除外）
?優(yōu)點(diǎn)是可以跨越時(shí)間因素，缺點(diǎn)是得不到有關(guān)時(shí)間信息的性質(zhì)
2.3CPMD:考慮量子效應的分子動(dòng)力學(xué)
?同時(shí)考慮原子核的運動(dòng)（牛頓力學(xué)）和電子的運動(dòng)（量子力學(xué)），能同時(shí)準確模擬物理作用和化學(xué)鍵作用
?目前來(lái)說(shuō)CPMD可以處理的體系還很小（幾十個(gè)原子）
2.4顆粒方法（CoarseGrain）
?將分子基團（幾個(gè)或者幾十上百個(gè)原子）當成單個(gè)的微粒來(lái)處理，微粒之間的作用也是通過(guò)類(lèi)似于分子動(dòng)力學(xué)的未能函數來(lái)描述，可以模擬更長(cháng)的時(shí)間跨度
3、幾種常見(jiàn)的針對軟材料模擬分子動(dòng)力學(xué)軟件
3.1namd： http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ 主要針對與生物和化學(xué)軟材料體系
優(yōu)點(diǎn)： 程序設計水平高，計算效率高，號稱(chēng)可以有效并行到上千個(gè)處理器， 兼容多種輸入和輸出文件格式，有很好的分析輔助軟件VMD，有很好的維護服務(wù)， 不需安裝， 免費
缺點(diǎn)： 萬(wàn)一需要自己安裝的話(huà)比較麻煩
3.2AMBER： http://amber.scripps.edu，主要針對生物體系，也適當兼容一般化學(xué)分子
優(yōu)點(diǎn)： 有很好的內置勢能模型， 自定義新模型和新分子很方便， 有很完善的維護網(wǎng)站
缺點(diǎn)： 計算效率不高（收斂到16個(gè)處理器），運算速度慢， $400
3.3CHARMM： http://www.charmm.org/ 主要針對生物體系，也包含部分化學(xué)體系
優(yōu)點(diǎn)： 勢能模型更新很快，自定義新模型比較方便，維護服務(wù)很好
缺點(diǎn)： 運算速度慢，計算效率低， $600
3.4TINKER： http://dasher.wustl.edu/tinker/ 一般性分子動(dòng)力學(xué)軟件，對生物體系略有偏重
優(yōu)點(diǎn)： 支持多種模型， 免費
缺點(diǎn)： 仍在開(kāi)發(fā)中，某些方面還不完善
3.5LAMMPS： http://www.cs.sandia.gov/~sjplimp/lammps.html， 一般性分子模擬軟件
優(yōu)點(diǎn)： 兼容當前大多數的勢能模型， 編程水平高，計算效率高（比NAMD差，強于其他所有類(lèi)似軟件）， 可以模擬軟材料和固體物理系統， 免費
缺點(diǎn)： 維護差
3.6DL-POLY： http://www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/ 一般性分子模擬軟件
優(yōu)點(diǎn)： 界面友好， 計算效率高（有兩個(gè)版本供選擇，適合于不同大小的體系）， 維護服務(wù)很好
缺點(diǎn)： 兼容性不好， 100英鎊
3.7GROMACS： http://www.gromacs.org/ 主要針對生物體系，也適當照顧一般化學(xué)體系
優(yōu)點(diǎn)： 算法好，計算效率高， 界面友好， 維護服務(wù)好， 免費軟件
缺點(diǎn)： 兼容性不好
3.8MaterialsExplorer
多功能分子動(dòng)力學(xué)軟件
立足于Windows平臺的多功能分子動(dòng)力學(xué)軟件。擁有強大的分子動(dòng)力學(xué)計算及MonteCarlo軟件包，是結合應用領(lǐng)域來(lái)研究材料工程的有力工具。MaterialsExplorer可以用來(lái)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，液體和氣體相變、膨脹、壓縮系數、抗張強度、缺陷等。MaterialsExplorer軟件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63個(gè)力場(chǎng)可供用戶(hù)選擇。MaterialsExplorer軟件擁有完美的圖形界面，方便使用者操作。
功能：
創(chuàng )建模型：
?MDCellBuilder——創(chuàng )建非晶和有序體系
?AddMDCell——創(chuàng )建分層體系，如晶界和相界等
?MoleculeGenerator——在吸附，CVD，spattering模擬中插入新的分子到MDCell
附加工具：
?MoleculeBuilder——提供所有類(lèi)型的分子的創(chuàng )建
?CrystalBuilder——使用空間點(diǎn)群和不對稱(chēng)單元創(chuàng )建晶體結構，用于無(wú)機固體及分子晶體系統的研究
?PolymerModule——模擬不定型聚合物
?pdb→bdl支持輸入pdb格式的文件
各種靈活的模擬功能：
?NEV,NTV,NPH和NTP全部使用Parrinello-Rahman-Nose方法
?兩種積分方法:Gear(predictor-corrector)和Hernandez(leap-frog)
?使用SHAKE算法進(jìn)行鍵約束計算，可以采用周期邊界條件，研究異相系統（氣-固界面，固體顆粒邊界等）
?多種分子模型：potential，rigidbody，bondconstraint，unitedatommodel
?使用Parrinello-Rahman和Nose方法進(jìn)行溫度和壓力控制分子動(dòng)力學(xué)模擬
?初始馳豫——阻止在液體和非晶模擬中的爆炸
?外場(chǎng)：靜電場(chǎng)，磁場(chǎng)，重力場(chǎng)，包括球和彈性能力校正
?電荷確定工具——確定分子的原子電荷
?輕松建立隨機多組分液相或氣相系統；
?輕松進(jìn)行分子模擬，從而研究晶體或外延生長(cháng)，表面吸附和表面破壞；
?利用復制，剪切和粘貼功能建立帶有缺陷和雜質(zhì)的模塊系統
分析：
?MonitoringModule——顯示溫度，壓力，內能以及其它熱力學(xué)性質(zhì)與時(shí)間的2D曲線(xiàn)圖
?3DAtomicConfigurationModule——顯示系統的快照，軌跡和動(dòng)畫(huà)
?MSDModule——從輸出數據計算均方位移（MSD）。顯示MSD的2D圖像，以及每個(gè)分子的自擴散系數。
?PCFModule——計算配對相關(guān)性函數和自由基分布函數，并描繪出相應的二維圖
?InterferenceFunctionModule——根據一對相關(guān)函數計算X-ray和中子衍射。
?VoronoiModule——計算Voronoi多面體的數目和這個(gè)多面體的面數。利用Voronoi分析對無(wú)定形固態(tài)進(jìn)行表征
?InternalCoordinateModule——計算鍵長(cháng)，鍵角，二面角，或指定分子類(lèi)型的里面角，在分布圖中顯示分布狀態(tài)。
?VelocityAuto-CorrelationFunction&SpectrumModule——計算自相關(guān)函數和基于Wiener-Khintchin方法的譜
?ModulusofElasticityModule——計算彈性系數
4、國內部分著(zhù)名分子動(dòng)力學(xué)課題組簡(jiǎn)介
4.1蔣華良上海藥物所
男，研究員，博士生導師。現任中國科學(xué)院上海藥物研究所副所長(cháng)、所學(xué)術(shù)委員會(huì )副主任、藥物發(fā)現與設計中心主任。蔣華良研究員1987年畢業(yè)于南京大學(xué)化學(xué)系，獲得學(xué)士學(xué)位；1992年畢業(yè)于華東師范大學(xué)化學(xué)系，獲得理學(xué)碩士學(xué)位；1995年畢業(yè)于中國科學(xué)院上海藥物研究所，師從嵇汝運院士和陳凱先院士，獲得理學(xué)博士學(xué)位。隨后留在藥物所工作，歷任副研究員、研究員、博士生導師、藥物發(fā)現與設計中心主任、所學(xué)術(shù)委員會(huì )副主任、副所長(cháng)等職。他是國家杰出青年基金獲得者，科技部973計劃首席科學(xué)家，科技部863計劃“生物和醫藥技術(shù)領(lǐng)域”專(zhuān)家組成員，科技部中長(cháng)期規劃重大基礎研究項目“蛋白質(zhì)科學(xué)研究”專(zhuān)家組成員，國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃“基于化學(xué)小分子探針的信號轉導過(guò)程研究”專(zhuān)家組成員
4.2劉海燕科大
男，教授，博士生導師。1969年出生于四川。1996年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物系，獲博士學(xué)位。曾于1993-1995年作為聯(lián)合培養研究生在瑞士蘇黎世高等理工學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗室學(xué)習，1998-2000年在杜克大學(xué)和北卡羅來(lái)納大學(xué)作博士后研究。現為我校生命科學(xué)學(xué)院教授、博士生導師。在J.Am..Chem.Soc.、J.Mol.Biol.、J.Chem.Phys.等雜志發(fā)表研究論文三十余篇。2000年入選中國科學(xué)院“引進(jìn)國外杰出人才”項目。2001年獲“國家杰出青年基金”資助。
4.3王恩哥物理所
男，1957年生，現任中國科學(xué)院物理研究所所長(cháng)，研究員，博士生導師。同時(shí)任香港大學(xué)Honorary教授，以及國際純粹與應用物理聯(lián)合會(huì )（IUPAP）專(zhuān)業(yè)委員會(huì )委員，中國物理學(xué)會(huì )秘書(shū)長(cháng)，中國物理學(xué)會(huì )凝聚態(tài)理論與統計物理專(zhuān)業(yè)委員會(huì )常委，《MaterialsScienceFoundation》、《JournalofComputationalandTheoreticalNanoscience》、《物理學(xué)報》、《化學(xué)物理學(xué)報》等雜志的編委。
4.4高世武物理所
男，1963年7月生于湖北。1984年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系，1990年獲中科院物理研究所博士學(xué)位。后主要在瑞典Chalmers理工大學(xué)和哥得堡大學(xué)物理系工作，現任該系教授。2004年入選中科院“百人計劃”，任研究員，2005年任SF5課題組組長(cháng)，2006年起擔任表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任。
主要研究方向：
1.凝聚態(tài)理論和表面物理
研究表面和納米材料的電子激發(fā)態(tài)結構，光學(xué)特性，光激發(fā)和電子激發(fā)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，熱電子的輸運和馳豫，電子和聲子間的能量轉換和耗散，激光和隧道電子引起的原子和分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
2.計算生物物理
結合理論模型分析，分子動(dòng)力學(xué)模擬，和并行計算方法，模擬計算生物分子系統，如細胞膜和離子通道結構，離子與水的相互作用和輸運動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，及其它們對其生物特性影響。
過(guò)去的主要工作及獲得的成果：高世武研究員長(cháng)期從事表面，界面和材料的基礎理論和計算研究。在表面動(dòng)力學(xué)、量子耗散理論、電子結構計算，以及并行計算方法等領(lǐng)域進(jìn)行了系統深入的研究，取得了多項國際領(lǐng)先的研究成果。他提出的隧道電子多重散射熱振動(dòng)機制首次解釋了單原子STM操縱機理，并成功解釋和預測氧單分子分解速率的非線(xiàn)性關(guān)系；推廣了Lindblad量子耗散理論，并應用于表面化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)過(guò)程。發(fā)展了電子結構嵌入團簇計算方法和處理大型計算的并行方法。截止2006年3月，共發(fā)表論文約50篇，20篇發(fā)表在Phys.Rev.Lett.和Phys.Rev.上。其中SCI收錄論文被引用約700次。在著(zhù)名的大型國際會(huì )議（如美國物理學(xué)會(huì )三月年會(huì )和歐洲科學(xué)學(xué)會(huì )研討會(huì )）上做邀請報告10余次。
4.5馬余強南京大學(xué)
男，1964年生,南京大學(xué)物理系教授,教育部長(cháng)江計劃特聘教授（軟物質(zhì)物理），國家杰出青年基金獲得者。在國際上首次確定了質(zhì)子玻璃類(lèi)系統的鐵電一鐵電玻璃轉變，表明鐵電相可與玻璃相共存以及在玻色空間建立環(huán)模型,從而使路徑積分可處理有玻璃有玻色子約束的一大類(lèi)玻色系，建立量子X(jué)Y鐵磁和反鐵磁模型的精確解，揭示了磁有序BOSE－EINSTEIN凝聚的關(guān)系，在改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )記憶和儲存方面作了細致而深入的研究。近年來(lái)僅發(fā)表在SCI國際核心雜志論文49篇,其中第一作者為40篇，25將發(fā)表在李政道博士所列的國際權威雜志上，論文被國際核心雜志及專(zhuān)著(zhù)引用達80余篇，被同行認為是國際上最早提出的，有20多個(gè)國家的近百個(gè)國外同行來(lái)函索取論文。馬余強先后獲江蘇省科技進(jìn)步二等獎、國家科技三等獎等10余項成果。獲南京大學(xué)第四屆、第五屆南京大學(xué)新星科學(xué)獎、希望之星獎等。
4.6龔新高復旦大學(xué)
1962年出生，1982年9月--1985年7月，在中國科學(xué)院固體物理研究所獲理學(xué)碩士，1993年5月獲中國科學(xué)院固體物理研究所理學(xué)博士并獲得中國科學(xué)院院長(cháng)獎學(xué)金特別獎，1993年12月中國科學(xué)院固體物理研究所晉升研究員，博士生導師。95年獲得中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎，99年獲得國家杰出青年基金。
1988年01月--1991年04月ICTP(意大利國際理論物理中心)ResearchFellow，1987年07月--1987年08月ICTP訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，1987、92、93、94、95年ICTP訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者（短期），1996年03月--1996年06月巴西基礎物理研究中心訪(fǎng)問(wèn)教授，1996年10月--1996年11月UniversityofTokyo、Keio、Tohoku、Nagoya、Kyoto訪(fǎng)問(wèn)教授，1997年07月--1998年01月OhioStateUniversity訪(fǎng)問(wèn)教授，1998年01月--1998年01月香港中文大學(xué)物理系短期訪(fǎng)問(wèn)1998年09月--1998年11月香港中文大學(xué)物理系短期訪(fǎng)問(wèn)，1999年02月--1999年06月ClarkAtlantaUniversity短期訪(fǎng)問(wèn)，2000年02月--2000年06月香港中文大學(xué)化學(xué)系短期訪(fǎng)問(wèn)。 |
