分子模擬：理論與實(shí)驗(yàn)

第一篇分子模擬理論基礎(chǔ)/1
第1章緒論2
1.1分子模擬2
1.2基本概念4
1.2.1坐標(biāo)系4
1.2.2分子圖形5
1.2.3分子表面5
1.2.4原子模型和粗粒模型7
1.2.5模擬方法8
1.3分子模擬歷史9
1.3.1早期的剛性球勢(shì)和LennardJones勢(shì)9
1.3.2小的非極性分子10
1.3.3極性分子和離子10
1.3.4鏈分子和聚合物10
1.3.5分子模擬中的系綜10
1.3.6多體相互作用11
1.3.7非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬11
1.4模擬資源12
參考文獻(xiàn)15
第2章統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)17
2.1統(tǒng)計(jì)力學(xué)基本原理17
2.1.1系綜17
2.1.2熱力學(xué)平均18
2.1.3其他漲落熱力學(xué)性質(zhì)19
2.1.4輸運(yùn)系數(shù)21
2.2粒子動(dòng)力學(xué)22
2.2.1非約束粒子的運(yùn)動(dòng)22
2.2.2受約束粒子的運(yùn)動(dòng)23
2.2.3維里定理27
參考文獻(xiàn)27
第3章力場(chǎng)28
3.1勢(shì)函數(shù)29
3.2簡(jiǎn)正模式30
3.2.1特征運(yùn)動(dòng)30
3.2.2分子光譜31
3.2.3光譜與力常數(shù)31
3.3簡(jiǎn)單體系的分子力場(chǎng)32
3.4勢(shì)能函數(shù)的具體形式33
3.4.1鍵伸縮勢(shì)34
3.4.2鍵角彎曲勢(shì)35
3.4.3二面角扭轉(zhuǎn)勢(shì)36
3.4.4離平面的彎曲勢(shì)38
3.4.5交叉項(xiàng)40
3.4.6van der Waals勢(shì)40
3.4.7靜電相互作用41
3.4.8氫鍵勢(shì)43
3.5常見(jiàn)的力場(chǎng)43
3.5.1OPLS力場(chǎng)44
3.5.2ECEPP/3力場(chǎng)44
3.5.3AMBER力場(chǎng)45
3.5.4CHARMM力場(chǎng)45
3.5.5MM3力場(chǎng)46
3.5.6CFF力場(chǎng)47
3.5.7通用力場(chǎng)48
3.5.8COMPASS力場(chǎng)48
3.6聯(lián)合原子和約化處理49
3.7粗粒力場(chǎng)50
3.7.1MARTINI力場(chǎng)50
3.7.2從全原子到粗粒模型52
3.8多體勢(shì)53
3.9水分子力場(chǎng)54
3.9.1簡(jiǎn)單水分子模型54
3.9.2可極化水分子模型56
3.10選擇力場(chǎng)56
3.10.1力場(chǎng)的命名56
3.10.2力場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)57
3.10.3如何選擇力場(chǎng)57
參考文獻(xiàn)58
第4章能量最小化64
4.1勢(shì)能面64
4.2勢(shì)函數(shù)的極小值65
4.3非導(dǎo)數(shù)求極值法67
4.3.1單純形法67
4.3.2按序單坐標(biāo)逼近法68
4.4導(dǎo)數(shù)求極值法69
4.5一級(jí)導(dǎo)數(shù)求極值法70
4.5.1最速下降法70
4.5.2共軛梯度法74
4.6二級(jí)導(dǎo)數(shù)求極值法75
4.6.1牛頓拉森法75
4.6.2準(zhǔn)牛頓拉森法76
4.6.3沿對(duì)角線分塊牛頓拉森法77
4.7能量最小化方法的選擇和收斂性判據(jù)77
4.8過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)路徑78
4.8.1鞍點(diǎn)和二次區(qū)域79
4.8.2搜尋鞍點(diǎn)81
4.8.3反應(yīng)路徑82
4.9溶劑化效應(yīng)83
參考文獻(xiàn)84
第5章模擬中的基本原理85
5.1短程相互作用86
5.1.1相互作用力86
5.1.2周期邊界條件 86
5.1.3非周期邊界方法87
5.1.4最近鏡像方法88
5.1.5近鄰列表89
5.1.6連鎖格子方法90
5.1.7后續(xù)處理問(wèn)題91
5.2長(zhǎng)程相互作用94
5.2.1Ewald求和法95
5.2.2反應(yīng)場(chǎng)方法98
5.2.3PPPM方法100
5.2.4樹(shù)狀方法101
5.3模擬過(guò)程103
5.3.1選擇初始構(gòu)型104
5.3.2判斷平衡104
5.3.3模擬結(jié)果和偏差分析107
參考文獻(xiàn)108
第6章Monte Carlo 模擬110
6.1Monte Carlo模擬中的配分函數(shù)110
6.2Monte Carlo原理112
6.2.1函數(shù)積分112
6.2.2Metropolis取樣和Markov鏈113
6.3基本Monte Carlo模擬115
6.3.1算法116
6.3.2平動(dòng)116
6.3.3取向運(yùn)動(dòng)117
6.4不同系綜中的Monte Carlo模擬121
6.4.1正則系綜122
6.4.2等溫等壓系綜123
6.4.3巨正則系綜125
6.4.4微正則系綜125
參考文獻(xiàn)126
第7章分子動(dòng)力學(xué)模擬128
7.1積分運(yùn)動(dòng)等式128
7.2Verlet預(yù)測(cè)方法129
7.2.1Verlet算法129
7.2.2蛙跳Verlet算法130
7.2.3速度Verlet算法130
7.2.4Beeman算法131
7.3Gear預(yù)測(cè)校正方法131
7.3.1基本的Gear算法131
7.3.2Gear算法的改進(jìn)方法132
7.4分子體系中的積分方法132
7.4.1小分子133
7.4.2大分子133
7.5不同系綜中的分子動(dòng)力學(xué)138
7.5.1微正則系綜138
7.5.2正則系綜139
7.5.3恒壓恒焓系綜143
7.5.4等壓等溫系綜145
7.5.5巨正則系綜146
7.6相關(guān)函數(shù)148
7.6.1時(shí)間相關(guān)函數(shù)148
7.6.2空間相關(guān)函數(shù)150
7.6.3輸運(yùn)性質(zhì)151
參考文獻(xiàn)152
第8章介觀模擬155
8.1耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬155
8.1.1基本原理155
8.1.2如何選擇步幅和噪聲158
8.1.3如何選擇排斥參數(shù)159
8.1.4如何選擇FloryHuggins參數(shù)160
8.1.5DPD在膠體化學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例161
8.2介觀動(dòng)力學(xué)模擬162
8.2.1熱力學(xué)部分163
8.2.2動(dòng)力學(xué)部分165
8.2.3參數(shù)部分166
8.2.4介觀動(dòng)力學(xué)在聚合物溶液中的應(yīng)用實(shí)例166
參考文獻(xiàn)167
第9章量子化學(xué)168
9.1Schr dinger方程168
9.1.1Born-Oppenhemer近似169
9.1.2單電子近似170
9.1.3原子軌道線性組合近似171
9.1.4Roothaan方程171
9.2電子相關(guān)和后HF方法172
9.2.1組態(tài)相互作用173
9.2.2多體微擾方法174
9.3密度泛函理論176
9.4基函數(shù)（基組）的選擇177
9.4.1LCAO178
9.4.2STO（Slater type orbital）178
9.4.3雙ζ及三ζ基178
9.4.4GTO（Gaussian type orbital）179
9.4.5簡(jiǎn)縮的Gaussian基組179
9.4.6分裂價(jià)基180
9.5半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法181
9.5.1全略微分重疊方法（CNDO）181
9.5.2間略微分重疊方法（INDO）182
9.5.3忽略雙原子微分重疊方法（NDDO）182
參考文獻(xiàn)182
第二篇分子模擬實(shí)驗(yàn)/183
第10章分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化184
10.1分子模型的繪制184
10.2分子構(gòu)型優(yōu)化186
10.3復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建189
思考題191
第11章分子軌道的計(jì)算和分析193
11.1分子軌道等值面圖193
11.2總電子密度圖196
11.3靜電勢(shì)圖196
11.4電荷分布圖198
11.5分子表面199
思考題201
第12章勢(shì)能面計(jì)算202
12.1鍵的斷裂203
12.2分子間的弱相互作用206
12.3分子構(gòu)象搜索209
12.4化學(xué)反應(yīng)勢(shì)能面掃描213
思考題215
第13章化學(xué)反應(yīng)模擬216
13.1計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的自由能216
13.2優(yōu)化搜索過(guò)渡態(tài)220
思考題225
第14章分子光譜計(jì)算226
14.1紅外和拉曼光譜226
14.2紫外可見(jiàn)光譜230
14.3X射線衍射光譜235
第15章溶液行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬239
思考題244
第16章固體材料表面吸附行為的Monte Carlo模擬245
16.1吸附等溫線245
16.2吸附構(gòu)型249
16.3吸附動(dòng)力學(xué)250
思考題252
第17章表面活性劑聚集行為的介觀模擬253
17.1DPD方法模擬表面活性劑在溶液中的聚集行為253
17.2Mesodyn方法模擬嵌段共聚物的相行為256
思考題259
第18章生物膜的粗粒化模擬260
思考題269
參考文獻(xiàn)270
附錄271
附錄ⅠMaterials Studio軟件簡(jiǎn)介271
附錄ⅡOrigin自定義函數(shù)擬合及構(gòu)建三維勢(shì)能面、能量折線圖的方法284
1.自定義函數(shù)擬合284
2.繪制三維勢(shì)能面285
3.繪制能量折線圖287
后記290