分子模擬：理論與實驗

第一篇分子模擬理論基礎/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早期的剛性球勢和LennardJones勢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非平衡分子動力學模擬11
1.4模擬資源12
參考文獻15
第2章統(tǒng)計力學基礎17
2.1統(tǒng)計力學基本原理17
2.1.1系綜17
2.1.2熱力學平均18
2.1.3其他漲落熱力學性質19
2.1.4輸運系數(shù)21
2.2粒子動力學22
2.2.1非約束粒子的運動22
2.2.2受約束粒子的運動23
2.2.3維里定理27
參考文獻27
第3章力場28
3.1勢函數(shù)29
3.2簡正模式30
3.2.1特征運動30
3.2.2分子光譜31
3.2.3光譜與力常數(shù)31
3.3簡單體系的分子力場32
3.4勢能函數(shù)的具體形式33
3.4.1鍵伸縮勢34
3.4.2鍵角彎曲勢35
3.4.3二面角扭轉勢36
3.4.4離平面的彎曲勢38
3.4.5交叉項40
3.4.6van der Waals勢40
3.4.7靜電相互作用41
3.4.8氫鍵勢43
3.5常見的力場43
3.5.1OPLS力場44
3.5.2ECEPP/3力場44
3.5.3AMBER力場45
3.5.4CHARMM力場45
3.5.5MM3力場46
3.5.6CFF力場47
3.5.7通用力場48
3.5.8COMPASS力場48
3.6聯(lián)合原子和約化處理49
3.7粗粒力場50
3.7.1MARTINI力場50
3.7.2從全原子到粗粒模型52
3.8多體勢53
3.9水分子力場54
3.9.1簡單水分子模型54
3.9.2可極化水分子模型56
3.10選擇力場56
3.10.1力場的命名56
3.10.2力場的發(fā)展趨勢57
3.10.3如何選擇力場57
參考文獻58
第4章能量最小化64
4.1勢能面64
4.2勢函數(shù)的極小值65
4.3非導數(shù)求極值法67
4.3.1單純形法67
4.3.2按序單坐標逼近法68
4.4導數(shù)求極值法69
4.5一級導數(shù)求極值法70
4.5.1最速下降法70
4.5.2共軛梯度法74
4.6二級導數(shù)求極值法75
4.6.1牛頓拉森法75
4.6.2準牛頓拉森法76
4.6.3沿對角線分塊牛頓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過渡態(tài)結構與反應路徑78
4.8.1鞍點和二次區(qū)域79
4.8.2搜尋鞍點81
4.8.3反應路徑82
4.9溶劑化效應83
參考文獻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)處理問題91
5.2長程相互作用94
5.2.1Ewald求和法95
5.2.2反應場方法98
5.2.3PPPM方法100
5.2.4樹狀方法101
5.3模擬過程103
5.3.1選擇初始構型104
5.3.2判斷平衡104
5.3.3模擬結果和偏差分析107
參考文獻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116
6.3.3取向運動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126
第7章分子動力學模擬128
7.1積分運動等式128
7.2Verlet預測方法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預測校正方法131
7.3.1基本的Gear算法131
7.3.2Gear算法的改進方法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力學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相關函數(shù)148
7.6.1時間相關函數(shù)148
7.6.2空間相關函數(shù)150
7.6.3輸運性質151
參考文獻152
第8章介觀模擬155
8.1耗散粒子動力學模擬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在膠體化學中的應用實例161
8.2介觀動力學模擬162
8.2.1熱力學部分163
8.2.2動力學部分165
8.2.3參數(shù)部分166
8.2.4介觀動力學在聚合物溶液中的應用實例166
參考文獻167
第9章量子化學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簡縮的Gaussian基組179
9.4.6分裂價基180
9.5半經(jīng)驗分子軌道方法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182
第二篇分子模擬實驗/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分子構型優(yōu)化186
10.3復雜分子結構的創(chuàng)建189
思考題191
第11章分子軌道的計算和分析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章勢能面計算202
12.1鍵的斷裂203
12.2分子間的弱相互作用206
12.3分子構象搜索209
12.4化學反應勢能面掃描213
思考題215
第13章化學反應模擬216
13.1計算化學反應的自由能216
13.2優(yōu)化搜索過渡態(tài)220
思考題225
第14章分子光譜計算226
14.1紅外和拉曼光譜226
14.2紫外可見光譜230
14.3X射線衍射光譜235
第15章溶液行為的分子動力學模擬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吸附構型249
16.3吸附動力學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?；M260
思考題269
參考文獻270
附錄271
附錄ⅠMaterials Studio軟件簡介271
附錄ⅡOrigin自定義函數(shù)擬合及構建三維勢能面、能量折線圖的方法284
1.自定義函數(shù)擬合284
2.繪制三維勢能面285
3.繪制能量折線圖287
后記290