用Python语言编写初级分子动力学模拟框架程序

本文章介绍了用Python语言编写一个简单的初级分子动力学（MD）模拟框架程序，适用于计算化学的初步理解。

本程序用1000个粒子模拟体系从初始有序态到随机态的动力学过程。采用恒温恒容系综，恒温采用速度直接标度法。模拟空间是正立方体空间，要应用截断半径概念和周期边界条件。粒子为中性粒子且彼此之间只有范德华作用力，初始态粒子整齐均匀分布。

一、代码概述

1.粒子初始化：在一个三维盒子中生成并初始化N个粒子的初始位置和速度。
2.周期性边界条件（PBC）：在粒子出界时将其位置调整回盒子内，模拟无边界效果。
3.力计算：使用Lennard-Jones势计算粒子间的范德华力。
4.时间积分（Velocity-Verlet算法）：通过时间步长模拟粒子在力场下的运动。
5.温度校准：基于期望的温度对粒子的速度进行标定，以确保系统在给定温度下运行。
6.数据输出：将初始和最终结构输出到.gro文件中，可导入至VMD等分子可视化软件中进行进一步分析。

二、代码具体内容

1.参数设置

import numpy as np

# 参数设置
N = 1000         # 总粒子数
L = 10           # 系统的边长（立方体）
mass = 1         # 粒子的质量
sigma = 1        # 办模方程的参数，代表粒子间的距离尺度
epsilon = 1      # 办模方程的参数，代表势能深度
rcut = 2.5      # 力的计算范围
k_B_T = 1       # 温度标定（与玻尔兹曼常数的乘积）
time_steps = 1000  # 模拟的时间步数
dt = 0.01       # 时间步长

2. 初始化粒子位置和速度 (initialize_particles)

# 初始化粒子位置和速度
def initialize_particles():
    positions = np.zeros((N, 3))
    num_per_side = int(np.cbrt(N))
    spacing = L / num_per_side
    index = 0
    for i in range(num_per_side):
        for j in range(num_per_side):
            for k in range(num_per_side):
                positions[index] = np.array([i, j, k]) * spacing
                index += 1
                if index >= N:
                    break
            if index >= N:
                break
        if index >= N:
            break
    vel