分子动力学
分子动力学通过原子级别的模拟，在原子间作用力下积分牛顿运动方程，以观察液体、固体和生物分子的演化，并计算它们的 thermodynamic 和 transport 性质。
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Definition
分子动力学是一种模拟方法，通过数值积分相互作用粒子的经典运动方程来计算系统轨迹，并从中获得平衡和动力学性质的时间平均值。
Scope
该领域涵盖经典分子动力学：使用辛积分器对运动方程进行时间积分，提供作用力的原子间势和力场，实现统计系综的恒温器和恒压器，以及与分子模拟密切相关的蒙特卡罗方法。它侧重于方法本身，而非任何特定的应用领域。
Sub-topics
Core questions
- 牛顿方程如何能在长时间内对许多相互作用的原子进行稳定积分？
- 原子间作用力如何建模，从简单的对势到详细的力场？
- 如何控制温度和压力以模拟选定的统计系综？
- 如何从模拟轨迹中提取热力学和输运性质？
Key theories
- 轨迹积分
- 分子动力学使用时间可逆的辛积分器（如速度 Verlet 算法）推进位置和速度，这些积分器能守恒一个影子能量并保持长时间模拟的稳定性。
- 力场和势
- 力来源于原子间势能函数，范围从简单流体的 Lennard-Jones 对势到分子的多项力场，其准确性决定了模拟的真实性。
- 通过恒温器和恒压器实现系综
- 将系统与恒温器和恒压器耦合会改变动力学，使得时间平均值采样正则系综或等温等压系综，而非裸牛顿动力学的微正则系综。
Clinical relevance
分子动力学计算流体和固体的扩散系数、粘度、相行为和自由能，是材料科学、软物质物理以及蛋白质和膜生物分子建模的核心工具。
History
分子动力学始于20世纪50年代后期Alder和Wainwright的硬球模拟，以及Rahman在1964年使用连续势对液态氩的模拟；更快的计算机和更好的力场将其从数百个原子扩展到数百万个原子，并从简单液体扩展到生物分子。
Key figures
- Aneesur Rahman
- Berni Alder
- Daan Frenkel
- Michael P. Allen
Related topics
Seminal works
- rahman1964
- frenkel2002
Frequently asked questions
- 分子动力学与蒙特卡罗模拟有何不同？
- 分子动力学通过积分运动方程来追踪系统的实时轨迹，因此它能提供扩散等动力学性质。蒙特卡罗则随机采样构型，提供平衡平均值，但没有真实的随时间演化。
- 为什么模拟时间尺度如此之短？
- 稳定的积分需要大约飞秒级的时间步长来解析快速原子振动，因此即使数百万步也只能覆盖纳秒到微秒，这就是为什么弥合到更长的生物或材料过程是一个持续的挑战。