Materials Studio学习笔记（十九）——简单溶液的分子动力学计算

转载已于 2025-07-01 06:53:51 修改 · 1.2k 阅读

5 ·

CC 4.0 BY-SA版权

原文链接：https://b23.tv/EAhuDt9

文章标签：

#学习 #笔记

于 2025-06-23 00:35:58 首次发布

Materials Studio学习笔记专栏收录该内容

28 篇文章

订阅专栏

本文引用为:Materials Studio视频教程-简单溶液体系的分子动力学计算_哔哩哔哩_bilibili

1 分子动力学介绍

分子动力学是一门结合了物理、数学以及化学的综合技术。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。用Materials Studio软件的Forcite模块可以方便进行动力学的计算和分析。

进行分子动力学计算需要进行几何优化，如果几何优化（弛豫、能量最小化）或者几何优化不到位，直接进行分子动力学计算，可能会报错，无法正常计算。常见的几何优化的方式包括，选择Forcite-Geometry Opimization，精度设为Fine或者Ultra-fine，力场设置为COMPASS力场，Smart计算方法，最大计算步数增加为5000.。

在进行几何优化时，点击more，可以选择几种几何优化的计算方法。

Steepest descent（最快下降法）：在势能面上沿着能量下降梯度进行线性搜索，适合偏离平衡位置很大的结构优化。
Conjugate gradient（共轭梯度法）：通过算法使得搜索能量下降梯度的方向共轭，适合接近平衡结构的优化。
Newton-Raphson（牛顿-拉弗森迭代法）：包括Quasi-Newton和ABNR，结合梯度和曲率函数预测能量极小点，适合接近平衡结构的优化。
Smart：联合上述几种方法，先用最速下降法初步优化，后用共轭梯度法或牛顿-拉弗森迭代法精细优化，是默认算法。

控温函数

控温函数有下面几个系数：

Velcoity scale：直接调整粒子速度，可使得温度精确匹配于设定温度，使得体系快速达到平衡状态，但不能产生真实合理热力学系统，通常只用于前期弛豫阶段，不用于后续动力学分析。
Nose：执行恒温计算，默认函数，可以产生真实正则系统（NVT系统），引入虚拟自由度描述体系和热浴之间的能量交换。
Andersen：达到平衡之后，更加温和地实现体系和热浴之间的能量交换。
NHL ：Nose在接近平衡体系计算结果较为可靠，但非平衡体系需要花费很多时间才能平衡，为克服低效性，引入了Langevin摩擦项和噪声项，相对于Nose算法，达到平衡时间更短。

如下所示为控温函数选择时的截图：

2 简单溶液的分子动力学实验

首先创建一个Na、Cl和水的xsd文件，然后点击Modules选项栏中的Amorphous Cell中的Calcuation，进入Amorphous Cell Calculation选项卡。

其中Task为Construction，Quality设置为Medium，然后水分子设置为500个，Na和Cl各为10个，而对于Energy选项中Forcefiled设置为COMPASS，changes设置为Forcefield assigned，而Job Control这里命名为NaCl solution。

点击run，最终效果如下所示：

这是NaCl的水溶液，然后将该水溶液保存到xsd文件中进行接下来的操作。

下面是对于NaCl水溶液进行分子动力学计算，首先点击Modules选项卡中的Forcite点击Calculation：

进入到下面的界面：

点击Task右边的More进入下面的界面：

首先Ensemble表示的是，这里选择NVT，系统保持粒子数，保持温度恒定。Initial velocities表示粒子的初始速度，这里设置为常温。Time simulation time表示计算时间，这里设置为50ps，Frame output every表示多少步输出一帧，这里设置为100steps，如果为了获得更多的帧，可以改小。