3_分子模拟概述.pdf

分子模拟概述 Overview of Molecular Simulation 计算机模拟的作用 按照统计力学原理，系统的宏观性质是相应微观量的系综 平均值或时间平均值。计算机分子模拟的主要内容就是为模型 系统提供大量的微观状态，以及对应的微观量。模拟得到的结 果也称为“机器实验数据” 。这类数据的突出应用价值有： 1. 检验与改进理论 应用统计力学理论解决实际问题时，为了克服数学上的困 难，常常需要假设一定的物理模型。在此基础上进行数学求 解，建立数学模型。在数学求解过程中，不可避免地需要引入 简化，这种简化是否合理？可以通过计算机模拟结果与理论模 型结果的比较进行检验。 计算机模拟的作用 2. 检验与改进物理模型 物理模型是从实际中抽象出来的，是实际系统本质的近似 反映。这种物理模型是否合理？可以通过计算机模拟结果与实 验结果的比较进行检验。 3.提供极端条件下的系统性质 某些极端条件下系统的性质很难在实验室进行测定，可 以采用计算机模拟的方法获得。如：地层中高温高压下油气 的状态、温度敏感性物质的性质、剧毒物质、放射性物质等 的性质。 计算机模拟的作用 提出假设 实际流体 模型流体 实验研究 理论计算 比较 实验数据 理论预测 传统的分子热力学研究方法 计算机模拟的作用 提出假设 实际流体 模型流体 计算机模拟 理论计算 实验研究 比较 比较 实验数据 模拟结果 理论预测 用计算机模拟检验模型和检验理论 计算机模拟的作用 计算机分子模拟 统计力学推导 理论模型 实验数据 实用模型 现代分子热力学研究方法 计算机分子模拟的分类 分子模拟的方法大致可分为两类：随机性模拟和确定性模拟。 （1）随机性模拟：在模拟中使用了随机数。通常只能模拟系统 的平衡性质，不能模拟分子的真实运动轨迹，过程不能反演。 最常用的有Monte Carlo (MC)模拟。最终可得到系统中各个粒 子的平衡位置。 （2 ）确定性模拟：按经典运动规律来预测分子的运动轨迹，过 程可反演。既可以模拟系统的平衡性质，也能够模拟系统的动 力学性质。最常用的有分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模 拟。最终可得到系统中各个粒子的位置和动量（速度）。 随机性模拟的简单示例—逾渗问题 随机性模拟的一个简单例子 是逾渗问题：为简单起见，考虑 一个二维方格，每个格点可以被 占也可以为空，格点被占的概率 为p ∈[0,1]，空的概率为1-p 。如果 这个二维方格为无穷大，则当p 等 于什么数值的时候，可以从盒子 的一边出发，通过被占格点到达 对边，即形成逾渗通道？ 随机性模拟的简单示例—逾渗问题 为了求解上述逾渗问题，我们可以这样进行：先产生一 个L ×L 的有限方格，然后以p 的概率随机填充这些格点，最 后观察是否形成逾渗通道。