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MS分子动力学模拟具体实施步骤
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2019-01-26
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MS分子动力学模拟具体实施步骤,应用material studio进行分子动力模拟
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第 3 章 铁基块体非晶合金‐纳米晶转变的动力学模拟过程
3.1Discover 模块
3.1.1 原子力场的分配
在使用 Discover 模块建立基于力场的计算中,涉及几个步骤。主要有:选择
力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择 non‐bondcutoffs。
在这些步骤中,指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。然而,在某些
情形下需要手动指定原子类型。原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子
指定原子类型。在为特定的系统确定能量和力时,定型原子使工作者能使用正确
的力场参数。通常,原子定型由 Discover 使用定型引擎的基本规则来自动执行,
所以不需要手动原子定型。然而,在特殊情形下,人们不得不手动的定型原子,
以确保它们被正确地设置。
图 3-1
1) 计算并显示原子类型:点击 Edit→AtomSelection ,如图 3‐1 所示
图3-2
弹出对话框,如图 3‐2 所示
从右边的…的元素周期表中选择 Fe,再点 Select,此时所建晶胞中所有 Fe
原子都将被选中,原子被红色线圈住即表示原子被选中。再编辑集合,点击 Edit
→EditSets,如图 3‐3、3‐4 所示。
图3-3
图3-4
弹出对话框见图 3‐4,点击 New...,给原子集合设定一个名字。这里设置为
Fe,则 3D 视图中会显示“Fe”字样,再分配力场:在工具栏上点击 Discover 按
钮 ,从下拉列表中选择 Setup,显示 Discover Setup 对话框,选择 Typing 选项
卡,见图 3‐5。
图3-5
在 Forcefieldtypes 里选择相应原子力场,再点 Assign(分配)按钮进行原子
力场分配。注意原子力场中的价态要与 Properties Project 里的原子价态
(Formalcharge)一致。
3.1.2 力场的选择
1)Energy,见图 3‐6。
图3-6
力场的选择:
力场是经典模拟计算的核心,因为它代表着结构中每种类型的原子与围绕着
它的原子是如何相互作用的。对系统中的每个原子,力场类型都被指定了,它描
述了原子的局部环境。力场包括描述属性的不同的信息,如平衡键长度和力场类
型对之间的电子相互作用。常见力场有 COMPASS、CVFF 和 PCFF。
Select 下拉菜单中有三个选项:
①COMPASS 力场:COMPASS 力场是第一个把以往分别处理的有机分子体系
的力场与无机分子体系的力场统一的分子力场。COMPASS 力场能够模拟小分子
与高分子,一些金属离子、金属氧化物与金属。在处理有机与无机体系时,采用
分类别处理的方式,不同的体系采用不同的模型,即使对于两类体系的混合,仍
然能够采用合理的模型描述。
②CVFF 力场:CVFF 力场全名为一致性价力场(consistantvalence forcefield),
最初以生化分子为主,适应于计算氨基酸、水及含各种官能团的分子体系。其后,
经过不断的强化,CVFF 力场可适用于计算多肽、蛋白质与大量的有机分子。此
力场以计算系统的结构与结合能最为准确,亦可提供合理的构型能与振动频率。
③PCFF 力场:PCFF 为一致性力场,增加一些金属元素的力参数,可以模拟
含有相应原子的分子体系,其参数的确定除大量的实验数据外,还需要大量的量
子力学计算结果。
3.1.3 非键的设置
打开 Non‐bond 选项卡,见图 3‐7。
图3-7
非键作用力包括范德华力和库伦力。这里将两者都选上,为的是后期做
minimizer 优化原子位置时精确度更高,因为考虑了作用力因素多,即两者都考
虑了。
Summationmethod(模拟方法):
①AtomBased:atombased 基于原子的总量,包括一个原子的截断距离,一
个原子的缓冲宽度距离;为直接计算法,即直接计算原子对之间的非键相互作用,
当原子对超出一定距离(截断半径 cutoff distance)时,即认为原子对之间相互
作用为零(注:cutoff distance 指范德瓦尔斯作用力和库仑力的范围,比如:设
定截断半径为 5,则表示已分子或原子中心为圆心,以 5 为半径作圆,半径以外
的作用力都不考虑)。此方法计算量较小,但是可能导致能量和其导数的不连续
性。当原子对间距离在 Cut Off 半径附近变化时,由于前一步考虑了原子对之间
的相互作用,而后一步不考虑,由此会导致能量发生跳跃。当然,对于较小的体
系,则可以设置足够大的 Cutoff 半径来保证所有的相互作用都被考虑进来。见图
3‐8。
图3-8
②GroupBased:group based 基于电子群的,总量中包括一个原子的截断距
离,一个原子的缓冲宽度距离;大多数的分子力场都包括了每个原子之间点电荷
的库仑相互作用。甚至在电中性的物种中也存在点电荷,例如水分子。点电荷实
际上反映了分子中不同原子的电负性。在模拟中,点电荷一般是通过电荷平衡法
(chargeequi librium)评价或者力场定义的电荷来分配的。当评价点电荷时,一
定要小心不要在使用 Cutoff 技术时引入错误的单极项。要了解到这一点,可以参
看如下事实:两个单极,当只有 1e.u.电荷时,在 10A 的位置上其相互作用大约
为 33Kcal;而对于由单位单极分离 1A 所形成的两个偶极,相同距离其相互作用
能不超过 0.3Kcal/mol。
很明显,忽略单极‐单极相互作用会导致错误的结果,而忽略偶极‐偶极相互
作用则是适度的近似。然而,如果单极相互作用处理不清的话,仍然会出问题。
当 non‐bondCutoff 使用基于原子‐原子基组时,就可能发生,会人为将偶极劈裂
为两个“假”的单极(当一个偶极原子在 Cutoff 内,另一个在其外)。这就不是
忽略了相对较小的偶极‐偶极相互作用,而是人为引入了作用较大的单极‐单极相
互作用。为了避免这种人为现象,Materials Studio 引入了在 Charge Groups 之上
的 Cutoff。
一个“Charge Group”是一个小的原子基团,其原子彼此接近,净电荷为 0
或者接近于 0。在实际应用中,ChargeGroup 一般是常见的化学官能团,例如羰
基、甲基或者羧酸基团的净电荷接近于中性 ChargeGroup。ChargeGroup 之间的
距离为一个官能团中心到另一个官能团中心的距离 R,Cutoff 设置与 AtomBased
相类似。
③EwaldSummation:Ewald 是在周期性系统内计算 Non‐bond 的一种技术。
Ewald 是计算长程静电相互作用能的一种算法。Ewald 加和方法比较合适于结晶
固体。原因在于无限的晶格内,Cutoff 方法会产生较大的误差。然而,此方法放
也可以用于无定形固体和溶液体系。Ewald 计算量较大,为 o(N^3/2),体系较大时,
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