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1、分子动力学模拟计算水分子扩散系数,计算材料学实验,1、实验目的,（1）了解分子动力学方法的原理。（2）熟练MS软件构建分子和体相的基本操作。（3）掌握分子动力学模拟的基本步骤。（4）掌握粒子扩散系数的计算方法。,2、实验原理,（ 1）分子动力学模拟（molecular dynamics simulation，简称MD）方法首先是由Alder和Wainwright提出的，现已逐渐成为预测系统特性、验证理论和改进模型的计算工具。 MD方法的基本思想是把物质看成由原子和分子组成的粒子系统，从该体系的某一假定的位能模型出发，并假定体系粒子的运动遵循经典力学或量子力学描述的规律，若已知粒子的所有受力作用
2、，则可以求解出运动方程而得到系统中全体粒子在相空间中的轨道，然后统计得到系统的热力学参数、结构和输运特性等。也就是由体系的微观性质来求算其宏观性质，属于微观尺度的模拟技术。,2、实验原理,（2）均方根位移：分子动力学计算系统中原子由起始位置不停移动，每一瞬间位置皆不同。以 表示时间t时粒子i的位置。粒子位移平方的平均值称为均方根位移（Mean Square Displacement=MSD）：（3）粒子扩散系数：根据爱因斯坦扩散定律：式中D为粒子的扩散系数，当时间很长时，均方根位移曲线的斜率就是6D，因此可以通过分子动力学计算MSD曲线斜率得到粒子的扩散系数。,3、实验内容,（1）回顾创建工程
3、和构建分子的基本操作；（2）构建水体系并进行分子动力学模拟；（3）计算水分子的扩散系数。,3.1回顾创建工程和构建分子的基本操作,（1）创建工程,（2）构建分子,3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。,（1）构建水分子，命名：water。,3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。,（2）构型优化：,点击discover模块中setup，在Energy中选择力场compass；在Typing中点击Calculate，对分子分配电荷和立场参数。点击discover模块中Minimizer，选择Smart Minimizer方法，精度选择Medium，点击Minimize，开始进行优化。,3.2构
4、建纯水体系并进行分子动力学模拟。,（3）定义Group：,选中优化后的整个水分子，点击Modify-Charges选择Charge Group，然后点击Define。,3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。,（4）构建水盒子：,打开water.xsd文件，点击Amorphous-Construction(Legacy)中Add选项Number：300，密度设为1，点击setup选择Use group based cutoffs，其它具体参数设置如下图，点击Construct弹出water AC Constr文件夹中water.xtd文件即纯水体系模型。将其名字修改为box.xtd,3.2构建
5、纯水体系并进行分子动力学模拟。,点击discover模块中setup中将non-bond的vdw&Coulomb 设置为group based，在点击discover中Minimizer，选择Smart Minimizer方法，精度选择Medium，点击Minimize，完成优化，box.xsd文件即优化后的体系。,打开上述优化过的模型，点击discover中Dynamics系综选择NVT；温度定为289K；模拟步长1fs模拟时间50ps，每隔1000针记录一次数据。点击Run对体系进行分子动力学模拟，弹出box Discover Dynamics文件夹，其中box.xtd文件即体系模拟的轨迹
6、文件。,（5）优化水盒子：,（6）分子动力学模拟:,3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。,（7）计算扩散系数：,1.定义set：选中所有水分子在工具栏中点击Edit-Edit Sets中New选项-OK。,3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。,2.提出水分子的MSD曲线：点击discover模块中Analysis选择Dynamic-Mean squared displacement-点击define-Add to list再点击Analyze。得到MSD曲线如左图所示：,（8）计算扩散系数：,3.2构建纯水体系并进行分子动力学模拟。,（8）计算扩散系数：,3.MSD曲线图中包含水分子在
7、沿X、Y、Z轴方向以及总的四条均方根位移。取总的MSD曲线（在图上右击-Delete Graph选中要删掉的曲线然后点击OK），拷贝到Exce中，求其斜率，根据MSD与扩散系数的关系式算得水分子的扩散系数。,3.2 作业,模拟H2O在缓蚀剂膜A、B中的扩散系数，判断三种缓蚀剂的缓蚀效率。,R: A-,B-,模拟步骤：构建水分子结构，优化结构，定义charge group构建缓蚀剂分子结构，优化结构，定义charge group，以主链C、N等原子及与其相连接的氢原子作为单元进行构建（使每个group的电荷接近零）；构建含有30个缓蚀剂和100个水分子的缓蚀剂盒子（三个缓蚀剂随着碳链增长其密度分
8、别为：0.94030571、0.92030480、0.88955424）；构建盒子时，需将添加的结构双击打开后，点中与其对应的文件名添加；构建时在setup力场设置中将non-bond的库伦和范德华设为group based；构建完成后利用display style查看是否所有原子定义group,如个别原子忘记定义，则整个盒子不能显示group。对盒子进行结构优化时，选择medium，步长为5000步；进行分子动力学模拟，分子动力学之前，打开优化后的构型，检查力场设置，Vdw,Coulomb是否是group based。分析水分子的扩散系数时，需将100个水分子全部选中（按下alt键并双击其中一个水分子的O原子，可选中所有水的氧原子，然后点击鼠标右键，选中Fragment,即可选中所有的水分子），定义set，进行分子，得出100个水分子的平均扩散系数。,Thank you!,
