分子动力学

分子动力学 分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。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综中抽取样本，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。
分子动力学简史
1957年：基于刚球势的分子动力学法（Alder and Wainwright）
1964年：质点系への拡张(Rahman)
1971年：刚体系への拡张(Rahman and Stillinger)
1977年：约束动力学方法（Rychaert等）
1980年：恒压条件下的动力学方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）
1983年：非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon)
1984年：恒温条件下的动力学方法（能势‐フーバーの方法）
1985年：第一原理分子动力学法（→カー?パリネロ法）
1991年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)
基本步骤
确定起始构型
进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型， 一个能量较低的起始 构型 是进行 分 子模拟 的基础 ，一般分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算。
在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须 进 行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。
进入平衡相
由上 一步 确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。
进入生产相
进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行 计算 ，在这个过程中，体系总能量不变，但分子内部势能和动能不断相互转化，从而 体系的 温度也不断变化，在整个过程中，体系会遍历势能面上的各个点，计算的样本正是在这个过程中抽取的。 +
计算结果
用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能，进而计算构型积分。
作用势与动 力学 计算
作用势的选择与动力学计算的关系极为密切，选择不同的作用势，体系的势能面会有不同的形状，动力学计算所得的分子运动 和 分子内部运动的轨迹也会不同，进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算，在计算宏观体积和微观成分关系的时候主要采用刚球模型的

二体势，计算系统能量，熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型，对于金属计算，主要采用morse势，但是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系，与实验不符，因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型，或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但是相对于二体势模型，多体势往往缺乏明确的表达式，参量很多，模拟收敛速度很慢，给应用带来很大的困难，因此在一般应用中，通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J，morse等势模型的应用仍然非常广泛。
时间步长与约束动力学
分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。
但是通常情况下，体系各自由度中运动周期最短的是各个化学键的振动，而这种运动对计算某些 宏观性质 并不产生影响，因此就产生了屏蔽分子内部振动或其他无关运动的约束动力学，约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟的时间步长，提高搜索相空间的能力。
一般性步骤
以下是做模拟的一般性步骤，具体的步骤和过程依赖于确定的系统或者是软件，但这不影响我们把它当成一个入门指南：
1）首先我们需要对我们所要模拟的系统做一个简单的评估, 三个问题是我们必须要明确的：
做什么（what to do）为什么做（why to do）怎么做（how to do）
2）选择合适的模拟工具，大前提是它能够实现你所感兴趣的目标，这需要你非常谨慎的查阅文献，看看别人用这个工具都做了些什么，有没有和你相关的，千万不要做到一半才发现原来这个工具根本就不能实现你所感兴趣的idea，切记！
考虑1：软件的选择，这通常和软件主流使用的力场有关，而软件本身就具体一定的偏向性，比如说，做蛋白体系，Gromacs，Amber，Namd均可；做DNA, RNA体系，首选肯定是Amber；做界面体系，Dl_POLY比较强大，另外做材料体系，Lammps会是一个不错的选择
考虑2：力场的选择。力场是来描述体系中最小单元间的相互作用的，是用量化等方法计算拟合后生成的经验式，有人会嫌它粗糙，但是它确确实实给我们模拟大系统提供了可能，只能说关注的切入点不同罢了。常见的有三类力场：全原子力场，联合力场，粗粒化力场；

当然还有所谓第一代，第二代，第三代力场的说法，这里就不一一列举了。
再次提醒注意：必须选择适合于我们所关注体系和我们所感兴趣的性质及现象的力场。
3）通过实验数据或者是某些工具得到体系内的每一个分子的初始结构坐标文件，之后，我们需要按我们的想法把这些分子按照一定的规则或是随机的排列在一起，从而得到整个系统的初始结构，这也是我们模拟的输入文件。
4）结构输入文件得到了，我们还需要力场参数输入文件，也就是针对我们系统的力场文件，这通常由所选用的力场决定，比如键参数和非键参数等势能函数的输入参数。
5）体系的大小通常由你所选用的box大小决定，我们必须对可行性与合理性做出评估，从而确定体系的大小，这依赖于具体的体系，这里不细说了。
6）由于初始构象可能会存在两个原子挨的太近的情况（称之为bad contact），所以需要在正式模拟开始的第一步进行体系能量最小化，比较常用的能量最小化有两种，最速下降法和共轭梯度法，最速下降法是快速移除体系内应力的好方法，但是接近能量极小点时收敛比较慢，而共轭梯度法在能量极小点附近收敛相对效率高一些，所有我们一般做能量最小化都是在最速下降法优化完之后再用共轭梯度法优化，这样做能有效的保证后续模拟的进行。
7）以平衡态模拟为例，你需要设置适当的模拟参数，并且保证这些参数设置和力场的产生相一致，举个简单的例子，gromos力场是用的范德华势双截断来定范德华参数的，若你也用gromos力场的话也应该用双截断来处理范德华相互作用。常见的模拟思路是，先在NVT下约束住你的溶质（剂）做限制性模拟，这是一个升温的过程，当温度达到你的设定后, 接着做NPT模拟，此过程将调整体系的压强进而使体系密度收敛。
经过一段时间的平衡模拟，在确定系统弛豫已经完全消除之后，就可以开始取数据了。如何判断体系达到平衡，这个问题是比较技术性的问题，简单的讲可以通过以下几种方式，一，看能量（势能，动能和总能）是否收敛；二，看系统的压强，密度等等是否收敛；三看系统的RMSD是否达到你能接受的范围，等等。
8）运行足够长时间的模拟以确定我们所感兴趣的现象或是性质能够被观测到，并且务必确保此现象出现的可重复性。
9）数据拿到手后，很容易通过一些可视化软件得到轨迹动画，但这并不能拿来发文章。真正的工作才刚刚开始——分析数据，你所感兴趣的现象或性质只是表面，隐含在它们之中的机理才是文章中的主题。
应用
分子动力学

可以用于NPT，NVE，NVT等系综的计算，是一种基于牛顿力学确定论的热力学计算方法，与蒙特卡洛法相比在宏观性质计算上具有更高的准确度和有效性，可以广泛应用于物理，化学，生物，材料，医学等各个领域。
另外，在实际应用中，经常把分子动力学方法和蒙特卡罗法联合使用。







分子动力学模拟介绍

学习天地 2009-09-11 10:49 阅读77 评论1 字号： 大大 中中 小小 1、分子动力学简介：
分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。该技术不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。它是对理论计算和实验的有力补充。广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。经典MD模拟，其系统规模在一般的计算机上也可达到数万个原子，模拟时间为纳秒量级。2006年进行了三千二百亿个原子的模拟（IBM lueGene/L）。
分子动力学总是假定原子的运动服从某种确定的描述，这种描叙可以牛顿方程、拉格朗日方程或哈密顿方程所确定的描述，也就是说原子的运动和确定的轨迹联系在一起。在忽略核子的量子效应和Born-Oppenheimer绝热近似下，分子动力学的这一种假设是可行的。所谓绝热近似也就是要求在分子动力学过程中的每一瞬间电子都处于原子结构的基态。要进行分子动力学模拟就必须知道原子间的相互作用势。
在分子动力学模拟中，我们一般采用经验势来代替原子间的相互作用势，如Lennard-Jones势 、Mores势、EAM原子嵌入势、F-S多体势。然而采用经验势必然丢失了局域电子结构之间存在的强相关作用信息，即不能得到原子动力学过程中的电子性质。
详细介绍请见附件。

2、分子模拟的三步法和大致分类
三步法：
第一步：建模。包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。
第二步：过程。这里就是体现所谓分子动力学特点的地方。包括对运动方程的积分的有效算法。对实际的过程的模拟算法。关键是分清楚平衡和非平衡，静态和动态以及准静态情况。
第三步：分析。这里是做学问的关键。你需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征，说明你的问题的实质和结果。因此关键是统计、平均、定义、计算。比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。
有了这三步，你就可以做一个好的分子动力学专家了。推而广之，其实所谓的介观模拟，蒙特卡罗模拟、有限元模拟都是一个道理。
大致分类：
2.1电子模拟（量化计算，DFT）
? 量子化学计算
?

一般处理几个到几十个原子
? 常见软件：GAUSSIAN，NWCHEM等
? 密度泛函（DFT）
? 可以算到上百个原子
? 常见软件：VASP
2.2分子模拟（分子动力学，蒙特卡洛）
2.2.1分子级别的模拟
? 分子水平的模拟
? 以分子的运动为主要模拟对象
? 采用经验性的分子间作用函数模拟微粒之间的作用
? 一般情况下不考虑电子转移效应，因而不能准确模拟化学成键作用
? 发展最早
? 1950s，Alder，劳伦斯利物默实验室，分子动力学模拟32个原子
? 1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯实验室，蒙特卡洛模拟32个原子
? 分子级别的模拟应用的领域很广
? 广泛应用于化学，物理，生物，化工，材料，机械，治药等领域
? 简单易学
2.2.2蒙特卡洛方法
? 蒙特卡洛是一种优化方法
? 通过蒙特卡洛算法来寻求能量最优点
? 随机方法
? 通过系综平均来求取宏观性质
? 模拟的是平衡状态，不涉及时间效应（KMC除外）
? 优点是可以跨越时间因素，缺点是得不到有关时间信息的性质
2.3 CPMD:考虑量子效应的分子动力学
? 同时考虑原子核的运动（牛顿力学）和电子的运动（量子力学）
? 能同时准确模拟物理作用和化学键作用
? 目前来说CPMD可以处理的体系还很小（几十个原子）
2.4颗粒方法（Coarse Grain）
? 将分子基团（几个或者几十上百个原子）当成单个的微粒来处理
? 微粒之间的作用也是通过类似于分子动力学的未能函数来描述
? 可以模拟更长的时间跨度

3、几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件
3.1 namd
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html,/Research/namd/
主要针对与生物和化学软材料体系
优点
程序设计水平高，计算效率高，号称可以有效并行到上千个处理器
兼容多种输入和输出文件格式，有很好的分析辅助软件VMD
有很好的维护服务
不需安装
免费
缺点
万一需要自己安装的话比较麻烦
3.2 AMBER
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html,
主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子
优点
有很好的内置势能模型
自定义新模型和新分子很方便
有很完善的维护网站
缺点
计算效率不高（收敛到16个处理器），运算速度慢
$400
3.3 CHARMM
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html,/
主要针对生物体系，也包含部分化学体系
优点
势能模型更新很快
自定义新模型比较方便
维护服务很好
缺点
运算速度慢，计算效率低
$600
3.4 TINKER
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html,/tinker/
一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重
优点
支持多种模型
免费
缺点
仍在开发中，某些方面还不完善
3.5 LAMMPS
http://www.cs.sandia.

gov/~sjplimp/lammps.html
一般性分子模拟软件
优点
兼容当前大多数的势能模型
编程水平高，计算效率高（比NAMD差，强于其他所有类似软件）
可以模拟软材料和固体物理系统
免费
缺点
维护差
3.6 DL-POLY
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html,/msi/software/DL_POLY/
一般性分子模拟软件
优点
界面友好
计算效率高（有两个版本供选择，适合于不同大小的体系）
维护服务很好
缺点
兼容性不好
100英镑
3.7 GROMACS
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html,/
主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系
优点
算法好，计算效率高
界面友好
维护服务好
免费软件
缺点
兼容性不好
3.8 Materials Explorer
多功能分子动力学软件
立足于Windows平台的多功能分子动力学软件。拥有强大的分子动力学计算及Monte Carlo软件包，是结合应用领域来研究材料工程的有力工具。Materials Explorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。Materials Explorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。Materials Explorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。
功能：
创建模型：
? MD Cell Builder ——创建非晶和有序体系
? Add MD Cell ——创建分层体系，如晶界和相界等
? Molecule Generator ——在吸附，CVD， spattering 模拟中插入新的分子到MD Cell
附加工具：
? Molecule Builder ——提供所有类型的分子的创建
? Crystal Builder ——使用空间点群和不对称单元创建晶体结构，用于无机固体及分子晶体系统的研究
? Polymer Module ——模拟不定型聚合物
? pdb → bdl 支持输入pdb格式的文件
各种灵活的模拟功能：
? NEV, NTV, NPH 和 NTP全部使用 Parrinello-Rahman-Nose 方法
? 两种积分方法: Gear (predictor-corrector) 和 Hernandez (leap-frog)
? 使用SHAKE 算法进行键约束计算
? 可以采用周期边界条件
? 研究异相系统（气-固界面，固体颗粒边界等）

? 多种分子模型：potential，rigid body，bond constraint，united atom model
? 使用Parrinello-Rahman 和 Nose 方法进行温度和压力控制分子动力学模拟
? 初始驰豫——阻止在液体和非晶模拟中的爆炸
? 外场：静电场，磁场，重力场，包括球和弹性能力校正
? 电荷确定工具——确定分子的原子电荷
? 轻松建立随机多组分液相或气相系统；
? 轻松进行分子模拟，从而研究晶体或外延生长，表面吸附和表面破坏；
? 利用复制，剪切和粘贴功能建立带有缺陷和杂质的模块系统
分析：
? Monitoring Module ——显示温度，压力，内能以及其它热力学性质与时间的2D曲线图
? 3D Atomic Configuration Module —— 显示系统的快

照，轨迹和动画
? MSD Module ——从输出数据计算均方位移（MSD）。显示MSD的2D图像，以及每个分子的自扩散系数。
? PCF Module ——计算配对相关性函数和自由基分布函数，并描绘出相应的二维图
? Interference Function Module ——根据一对相关函数计算X-ray 和中子衍射。
? Voronoi Module ——计算Voronoi 多面体的数目和这个多面体的面数。利用Voronoi分析对无定形固态进行表征
? Internal Coordinate Module ——计算键长，键角，二面角，或指定分子类型的里面角，在分布图中显示分布状态。
? Velocity Auto-Correlation Function & Spectrum Module ——计算自相关函数和基于Wiener-Khintchin方法的谱
? Modulus of Elasticity Module ——计算弹性系数

4、国内部分著名分子动力学课题组简介
4.1 蒋华良 上海药物所
男，研究员，博士生导师。现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任。 蒋华良研究员 1987 年毕业于南京大学化学系，获得学士学位； 1992 年毕业于华东师范大学化学系，获得理学硕士学位； 1995 年毕业于中国科学院上海药物研究所，师从嵇汝运院士和陈凯先院士，获得理学博士学位。随后留在药物所工作，历任副研究员、研究员、博士生导师、药物发现与设计中心主任、所学术委员会副主任、副所长等职。他是国家杰出青年基金获得者，科技部 973 计划首席科学家，科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员，科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究”专家组成员，国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员

4.2 刘海燕 科大
男，教授，博士生导师。1969年出生于四川。1996年毕业于中国科学技术大学生物系，获博士学位。曾于1993-1995年作为联合培养研究生在瑞士苏黎世高等理工学院物理化学实验室学习，1998-2000年在杜克大学和北卡罗来纳大学作博士后研究。现为我校生命科学学院教授、博士生导师。在J. Am.. Chem. Soc.、J. Mol. Biol.、J. Chem. Phys.等杂志发表研究论文三十余篇。2000年入选中国科学院“引进国外杰出人才”项目。2001年获“国家杰出青年基金”资助。

4.3 王恩哥 物理所
男，1957年生，现任中国科学院物理研究所所长，研究员，博士生导师。同时任香港大学Honorary教授，以及国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）专业委员会委员，中国物理学会秘书长，中国物理学会凝聚态理论与统计物理专业委员会常委，《Materials Science Foundation》、《Journal of Computational and Theoretical Nanoscience》、《物理学报》、《化学物理学报》等杂志的编委。

4.4 高世武 物理

所
男，1963年7月生于湖北。1984年毕业于南京大学物理系，1990年获中科院物理研究所博士学位。后主要在瑞典Chalmers理工大学和哥得堡大学物理系工作，现任该系教授。2004年入选中科院“百人计划”，任研究员，2005年任SF5课题组组长，2006年起担任表面物理国家重点实验室主任。
主要研究方向：
1.凝聚态理论和表面物理
研究表面和纳米材料的电子激发态结构，光学特性，光激发和电子激发的动力学过程，热电子的输运和驰豫，电子和声子间的能量转换和耗散，激光和隧道电子引起的原子和分子动力学过程。
2.计算生物物理
结合理论模型分析，分子动力学模拟，和并行计算方法，模拟计算生物分子系统，如细胞膜和离子通道结构，离子与水的相互作用和输运动力学性质，及其它们对其生物特性影响。
过去的主要工作及获得的成果：高世武研究员长期从事表面，界面和材料的基础理论和计算研究。在表面动力学、量子耗散理论、电子结构计算，以及并行计算方法等领域进行了系统深入的研究，取得了多项国际领先的研究成果。他提出的隧道电子多重散射热振动机制首次解释了单原子STM操纵机理，并成功解释和预测氧单分子分解速率的非线性关系；推广了Lindblad量子耗散理论，并应用于表面化学反应动力学过程。发展了电子结构嵌入团簇计算方法和处理大型计算的并行方法。截止2006年3月，共发表论文约50篇，20篇发表在Phys. Rev. Lett. 和Phys. Rev.上。其中SCI收录论文被引用约700次。在著名的大型国际会议（如美国物理学会三月年会和欧洲科学学会研讨会）上做邀请报告10余次。

4.5马余强 南京大学
男，1964年生,南京大学物理系教授,教育部长江计划特聘教授（软物质物理），国家杰出青年基金获得者。在国际上首次确定了质子玻璃类系统的铁电一铁电玻璃转变，表明铁电相可与玻璃相共存以及在玻色空间建立环模型,从而使路径积分可处理有玻璃有玻色子约束的一大类玻色系，建立量子XY铁磁和反铁磁模型的精确解，揭示了磁有序BOSE－EINSTEIN凝聚的关系，在改善神经网络记忆和储存方面作了细致而深入的研究。近年来仅发表在SCI国际核心杂志论文 4 9篇,其中第一作者为40篇，25将发表在李政道博士所列的国际权威杂志上，论文被国际核心杂志及专著引用达80余篇，被同行认为是国际上最早提出的，有 20多个国家的近百个国外同行来函索取论文。马余强先后获江苏省科技进步二等奖、国家科技三等奖等10余项成果。获南京大学第四届、第五届南京大学新星科学奖、希望之星奖等。

4.6龚新高 复旦大学
1962年出生，1982

年9月-- 1985年7月，在中国科学院固体物理研究所获理学硕士，1993年5月获中国科学院固体物理研究所理学博士并获得中国科学院院长奖学金特别奖，1993 年12月中国科学院固体物理研究所晋升 研究员，博士生导师。95年获得中国 科学院青年科学家奖，99年获得 国家杰出青年基金。
1988年01月--1991年04月ICTP(意大利国际理论物理中心) Research Fellow，1987年07月--1987年08月ICTP访问学者，1987、92、93、94、95年ICTP访问学者（短期），1996年03月 --1996年06月巴西基础物理研究中心访问教授，1996年10月--1996年11月University of Tokyo、Keio、Tohoku、Nagoya、Kyoto访问教授，1997年07月--1998年01月Ohio State University访问教授，1998年01月--1998年01月香港中文大学物理系短期访问1998年09月--1998年11月香港中文大学物理系短期访问，1999年02月--1999年06月Clark Atlanta University短期访问，2000年02月--2000年06月香港中文大学化学系短期访问。






网络释义以下结果来自互联网
1. MOLCAS
COSMOtherm 溶剂混合物热动力学定量计算的程序...MOLCAS 从头计算，密度泛函，分子力学...MOLPRO 国际上广泛使用的专业级电子结构量化计算软件
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html, - 相关搜索
2. ab initio calculations
包括分子动力学，从头计算(ab initio calculations),天文物理学，密度矩阵局部化，...
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html, - 相关搜索
3. ab initio
从头计算(ab initio)：在求解薛定鄂方程时，在非相对论近似、Born－Oppenheimer近似和轨道（或Hartree－Fock）近似的基础上，对根据变分原理和变分法导出的HF方...
https://www.wendangku.net/doc/391184596.html, - 相关搜索








金属Ti中He原子行为的分子动力学模拟





2008年05月30日16:21 来源：人民网科技

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金属Ti是一种性能优良的储氢材料。在聚变能源研究以及军用核技术上有着极其广泛的应用前景。当金属Ti贮氚时，由于氚衰变产生的3He滞留在晶格中，从而导致金属本身宏观和微观性能发生变化，即出现氚老化效应。因此贮氚材料除了要有好的临氚特性外，金属氚化物贮存期间由氚衰变产生和聚集的3He对材料显微组织及综合性能的影响是研究人员高度关注的问题。

中国工程物理研究院核物理与化学研究所罗顺忠课题小组长期从事储氢材料的理论和实验研究工作，孙铁英、龙兴贵等人通过对金属Ti中He原子行为进行理论模拟，观察到He原子在无预存缺陷的晶体中通过自陷（self-trapping）机制聚集形成He泡，He原子团诱发生成的自间隙原子有成团的趋势，并有在缺陷的一侧成团的趋势。含有50个He原子的高压纳米尺

寸He泡具有晶间缺陷（或称有限尺寸缺陷）的性质，其演化规律与氚化物时效早期的行为相关，这也是人们关注的问题，因为时效早期的特征可能与材料的固He能力相关。作者对影响He泡行为及材料固He能力的关键参数He泡压力进行研究，根据大量的模拟结果对已有的简单的泡压公式p = 2γ/r提出质疑，得出He泡压力随He泡尺寸和泡内He原子数目的变化规律，并进行定量分析。法国Thièbant等人针对Pd和Pd基氚化物时效早期缺陷和缺陷结构变化进行了系统研究，但没有针对时效早期小He泡的压力变化进行相关研究。该项研究内容和结果对理解Ti氚化物早期时效行为与其固He能力的相关性有重要意义。该研究成果发表在2008年《中国物理快报》25卷1784-1787页。

此项研究得到了国家自然科学基金委员会项目（No. 50671096）和中国工程物理研究院科学技术基金重大课题项目（No. 2003Z0501）的资助。

编辑部推荐理由：

孙铁英等人的《金属Ti中He原子行为的分子动力学模拟》一文，对He原子在金属Ti中的迁移行为进行深入研究，获得了规律性的认识，对了解Ti氚化物时效过程氦泡的演化行为有重要指导作用。对影响He泡行为及材料固He能力的关键参数He泡压力进行研究，给出He泡压力随He泡尺寸和泡内He原子数目的变化规律，在其相关研究领域提出创新性的见解。该项研究内容和结果对理解Ti氚化物早期时效行为与其固He能力的相关性有重要意义。






分子动力学 分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。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综中抽取样本，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。
分子动力学简史
1957年：基于刚球势的分子动力学法（Alder and Wainwright）
1964年：质点系への拡张(Rahman)
1971年：刚体系への拡张(Rahman and Stillinger)
1977年：约束动力学方法（Rychaert等）
1980年：恒压条件下的动力学方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）
1983年：非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon)
1984年：恒温条件下的动力学方法（能势‐フーバーの方法）
1985年：第一原理分子动力学法（→カー?パリネロ法）
1991年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)
基本步骤
确定起始构型
进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型， 一个能量较低的起始 构型 是进行 分 子模拟 的基础 ，一般分子的起始构型主要来自实验数据

或量子化学计算。
在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须 进 行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。
进入平衡相
由上 一步 确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。
进入生产相
进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行 计算 ，在这个过程中，体系总能量不变，但分子内部势能和动能不断相互转化，从而 体系的 温度也不断变化，在整个过程中，体系会遍历势能面上的各个点，计算的样本正是在这个过程中抽取的。 +
计算结果
用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能，进而计算构型积分。
作用势与动 力学 计算
作用势的选择与动力学计算的关系极为密切，选择不同的作用势，体系的势能面会有不同的形状，动力学计算所得的分子运动 和 分子内部运动的轨迹也会不同，进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算，在计算宏观体积和微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势，计算系统能量，熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型，对于金属计算，主要采用morse势，但是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系，与实验不符，因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型，或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但是相对于二体势模型，多体势往往缺乏明确的表达式，参量很多，模拟收敛速度很慢，给应用带来很大的困难，因此在一般应用中，通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J，morse等势模型的应用仍然非常广泛。
时间步长与约束动力学
分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。
但是通常情况下，体系各自由度中运动周期最短的是各个化学键的振动，而这种

运动对计算某些 宏观性质 并不产生影响，因此就产生了屏蔽分子内部振动或其他无关运动的约束动力学，约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟的时间步长，提高搜索相空间的能力。
一般性步骤
以下是做模拟的一般性步骤，具体的步骤和过程依赖于确定的系统或者是软件，但这不影响我们把它当成一个入门指南：
1）首先我们需要对我们所要模拟的系统做一个简单的评估, 三个问题是我们必须要明确的：
做什么（what to do）为什么做（why to do）怎么做（how to do）
2）选择合适的模拟工具，大前提是它能够实现你所感兴趣的目标，这需要你非常谨慎的查阅文献，看看别人用这个工具都做了些什么，有没有和你相关的，千万不要做到一半才发现原来这个工具根本就不能实现你所感兴趣的idea，切记！
考虑1：软件的选择，这通常和软件主流使用的力场有关，而软件本身就具体一定的偏向性，比如说，做蛋白体系，Gromacs，Amber，Namd均可；做DNA, RNA体系，首选肯定是Amber；做界面体系，Dl_POLY比较强大，另外做材料体系，Lammps会是一个不错的选择
考虑2：力场的选择。力场是来描述体系中最小单元间的相互作用的，是用量化等方法计算拟合后生成的经验式，有人会嫌它粗糙，但是它确确实实给我们模拟大系统提供了可能，只能说关注的切入点不同罢了。常见的有三类力场：全原子力场，联合力场，粗粒化力场；当然还有所谓第一代，第二代，第三代力场的说法，这里就不一一列举了。
再次提醒注意：必须选择适合于我们所关注体系和我们所感兴趣的性质及现象的力场。
3）通过实验数据或者是某些工具得到体系内的每一个分子的初始结构坐标文件，之后，我们需要按我们的想法把这些分子按照一定的规则或是随机的排列在一起，从而得到整个系统的初始结构，这也是我们模拟的输入文件。
4）结构输入文件得到了，我们还需要力场参数输入文件，也就是针对我们系统的力场文件，这通常由所选用的力场决定，比如键参数和非键参数等势能函数的输入参数。
5）体系的大小通常由你所选用的box大小决定，我们必须对可行性与合理性做出评估，从而确定体系的大小，这依赖于具体的体系，这里不细说了。
6）由于初始构象可能会存在两个原子挨的太近的情况（称之为bad contact），所以需要在正式模拟开始的第一步进行体系能量最小化，比较常用的能量最小化有两种，最速下降法和共轭梯度法，最速下降法是快速移除体系内应力的好方法，但是接近能量极小点时收敛比较慢，而共轭梯

度法在能量极小点附近收敛相对效率高一些，所有我们一般做能量最小化都是在最速下降法优化完之后再用共轭梯度法优化，这样做能有效的保证后续模拟的进行。
7）以平衡态模拟为例，你需要设置适当的模拟参数，并且保证这些参数设置和力场的产生相一致，举个简单的例子，gromos力场是用的范德华势双截断来定范德华参数的，若你也用gromos力场的话也应该用双截断来处理范德华相互作用。常见的模拟思路是，先在NVT下约束住你的溶质（剂）做限制性模拟，这是一个升温的过程，当温度达到你的设定后, 接着做NPT模拟，此过程将调整体系的压强进而使体系密度收敛。
经过一段时间的平衡模拟，在确定系统弛豫已经完全消除之后，就可以开始取数据了。如何判断体系达到平衡，这个问题是比较技术性的问题，简单的讲可以通过以下几种方式，一，看能量（势能，动能和总能）是否收敛；二，看系统的压强，密度等等是否收敛；三看系统的RMSD是否达到你能接受的范围，等等。
8）运行足够长时间的模拟以确定我们所感兴趣的现象或是性质能够被观测到，并且务必确保此现象出现的可重复性。
9）数据拿到手后，很容易通过一些可视化软件得到轨迹动画，但这并不能拿来发文章。真正的工作才刚刚开始——分析数据，你所感兴趣的现象或性质只是表面，隐含在它们之中的机理才是文章中的主题。
应用
分子动力学可以用于NPT，NVE，NVT等系综的计算，是一种基于牛顿力学确定论的热力学计算方法，与蒙特卡洛法相比在宏观性质计算上具有更高的准确度和有效性，可以广泛应用于物理，化学，生物，材料，医学等各个领域。
另外，在实际应用中，经常把分子动力学方法和蒙特卡罗法联合使用。