分子动力学模拟

分子动力学整合了相互作用原子系统的牛顿运动方程，生成轨迹，并从中计算结构、动力学和热力学性质。

Definition

一种模拟技术，在势能函数的作用下，随时间推移原子位置和速度，从而在相空间中产生确定性轨迹。

Scope

涵盖经典运动方程的数值积分、Verlet 家族等时间可逆积分器、通过恒温器和恒压器控制温度和压力、长程静电和周期性边界的处理，以及从轨迹中提取平衡和输运性质。

Core questions

• 牛顿运动方程如何在许多时间步长内稳定积分？
• 如何控制温度和压力以采样选定的热力学系综？
• 如何有效地处理长程静电相互作用？
• 如何从有限轨迹中恢复可观测性质？

Key theories

Verlet 积分

一种简单、时间可逆且辛的运动方程积分方案，在长时间模拟中能很好地保持能量守恒，是大多数分子动力学代码的基础。

遍历采样

根据遍历假设，足够长的轨迹上的时间平均值等于系综平均值，将模拟与统计力学可观测值联系起来。

Mechanisms

每一步都从势梯度计算力，通过积分器推进位置和速度，并应用恒温器或恒压器校正；重复此过程可构建轨迹，其平均值给出热力学和动力学性质。

Clinical relevance

分子动力学揭示了蛋白质、膜和材料中的构象变化、结合事件、扩散和反应邻近过程，提供了机制洞察，补充了生物物理学和药物发现中的实验研究。

History

继 Alder 和 Wainwright 的硬球模拟以及 Rahman 对液态氩的连续势研究之后，Verlet 在 1967 年提出的算法以及后来恒温器、恒压器和基于 Ewald 的静电学的发展，使分子动力学成为一门成熟的模拟学科。

Key figures

• Loup Verlet
• Berni Alder
• Aneesur Rahman
• Herman Berendsen

Seminal works

• verlet1967
• frenkel2002

Frequently asked questions

分子动力学中时间步长受什么限制？

最快的运动，通常是涉及氢的键振动，设定了限制；限制这些键可以允许几飞秒的时间步长，而可达到的总时间可以达到微秒甚至更长。

分子动力学是确定性的吗？

给定初始条件，积分是确定性的，但轨迹是混沌的，因此微小的差异会迅速增长；有意义的结果来自统计平均值而非个体路径。