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分子动力学模拟方法及其应用随着计算机技术的不断发展，分子动力学模拟方法越来越成为化学、物理、生物等科学领域中重要的工具。
其基本思想是模拟系统中原子或分子之间的相互作用，从而推导出物理和化学性质。
本文将从分子动力学模拟的基本原理、模拟技术以及应用领域等方面来进行介绍。
一、基本原理分子动力学模拟，顾名思义即是通过模拟分子间的运动来研究分子系统的一种科学计算方法。
其基本原理是根据牛顿力学的三大定律来进行模拟。
在分子动力学中，分子运动的所有信息都被描绘在坐标、速度和势能函数这三个参数中。
其中坐标(x,y,z)用于描述分子的位置，速度(vx,vy,vz)则用于描述分子的运动状态。
而这两个参数的变化又受到势能函数E(x,y,z)的影响，即势能函数所描述的是原子或分子之间的相互作用力。
根据牛顿第二定律，分子的加速度可以通过势能函数来求解，从而推导出分子的运动规律。
通过大量的计算模拟，我们可以得到分子系统的动态特性及相关性质。
这些计算模拟帮助我们更深入地理解分子系统的结构、动力学机制以及关于分子之间的相互作用力等方面的问题。
二、模拟技术分子动力学模拟方法在实际应用中还需要利用一系列的模拟技术来处理相关问题。
下面就介绍一些常用的技术：1. 描述模型：模拟技术中需要制定正确的模型来描述研究问题。
以蛋白质结构为例，我们要考虑氨基酸的类型、序列、空间构型等因素。
而对于分子间相互作用的计算而言，我们还需要考虑能量和势能的计算方式等因素。
2. 动力学算法：模拟技术中的动力学算法是非常重要的部分，这些算法可以分为传统算法和基于统计方法的算法。
传统算法通过求解牛顿方程来推导分子运动的规律。
而代表性的基于统计方法的算法则是蒙特卡罗算法，其通过对分子状态随机进行采样来获得分子系统的状态。
3. 采样策略：为了更准确地描述分子系统的状态，我们需要进行大量的采样工作。
这些采样策略可以分为等温组合（NVT）和等容组合（NVE）等算法。
其中等温组合算法中需要将系统和外界保持恒温，而等容组合算法则需要维持分子数和容积的恒定。
分子动力学模拟方法Molecular Dynamics Simulation Method分子动力学模拟方法是一种计算方法，可以预测原子和分子在不同温度和压力下的运动和力学行为。
该方法已被广泛应用于物理、化学、生物学和材料科学等领域，用于研究材料性质、生物分子结构和动态、相变等现象。
本文将介绍分子动力学模拟的基本原理、模拟过程以及如何用该方法研究材料或生物分子。
1. 基本原理分子动力学模拟基于牛顿力学原理，用原子和分子之间的势能函数描述系统内部的相互作用力。
根据牛顿第二定律 F=ma，通过求解系统中每个分子的运动方程来推导出分子的运动轨迹。
在计算中，采用的势能函数决定了分子之间的相互作用，包括范德华力、静电作用、键角等力。
基于这些相互作用力和分子的运动轨迹，可以计算出分子的位置、速度、加速度和能量等物理量。
2. 模拟过程分子动力学模拟的过程包括初始化、模拟和分析三个阶段。
2.1 初始化初始化阶段主要是为模拟设置一些参数，包括分子数、模拟时间、初速度、初位置和系统温度等。
初速度可以根据玻尔兹曼分布生成，初位置随机分布，系统温度也可以通过控制分子初速度实现。
模拟阶段分为两个步骤：计算分子运动和更新分子位置。
计算分子运动：在每个时间步中，使用牛顿运动方程计算每个分子的运动。
分子与其他分子之间的相互作用通过势能函数计算。
时间步长各不相同，一般为1-10飞秒。
更新分子位置：根据计算出的分子运动轨迹和速度，使用欧拉法更新分子位置。
在此过程中，通过周期性边界条件保证系统的连续性。
2.3 分析分析阶段主要是对模拟结果进行分析和处理，如计算能量、相变、速度相关的分布函数等。
有效的分析可以给出关键参数和物理量，如分子动力学能量、热力学性质和动力学行为。
3. 应用分子动力学模拟方法已经被广泛应用于物理、化学、生物学和材料科学等研究领域，尤其是材料和生物分子方面的研究具有广泛的前景。
3.1 材料科学分子动力学模拟可用于研究材料的力学、热力学和电学等性质。
分子动力学模拟的原理和实践分子动力学模拟是一种重要的计算方法，可以通过计算分子间的运动和相互作用，模拟物质的宏观性质和行为。
它在材料科学、化学、生物学等领域具有广泛的应用，因此，深入了解其原理和实践对于这些领域的科研工作者来说非常有必要。
一、分子动力学模拟的原理分子动力学模拟的基本原理是通过牛顿运动定律和分子间相互作用力学定律，计算分子在一定温度和压力下的运动和相互作用，以模拟宏观物质的性质和行为。
分子动力学模拟通常包括以下几个方面的计算：1、位形和速度的计算：通过统计力学的方法计算出分子的位形和速度信息，包括位置、动量、角动量等。
2、相互作用力的计算：计算分子之间的相互作用力，包括库仑排斥力、范德华力、连带键力等。
3、运动的求解：通过积分数值方法，求解出分子在时间上的变化和相互作用过程。
4、热化和平衡：通过模拟温度控制和压力控制等控制条件，使模拟达到稳定状态，计算出稳态下的宏观物理性质。
二、分子动力学模拟的实践分子动力学模拟的实践涉及到多个方面的知识和技能，包括模拟软件的选择、分子动力学算法的设计、分子模型的构建、计算条件的调整和模拟结果的分析等。
下面分别从这些方面进行讨论。
1、模拟软件的选择目前，有很多分子动力学模拟软件可供选择，如LAMMPS、GROMACS、CHARMM、NAMD等。
选择合适的软件需要考虑到实验的需求和计算资源的情况，同时还要考虑软件的功能和特点。
2、分子动力学算法的设计分子动力学算法的设计包括模拟时间步长的设定、坐标更新的算法、相互作用能的计算方法等。
在设计算法时，需要充分考虑计算效率和精度的平衡。
3、分子模型的构建分子模型的构建需要包括分子结构的确定、分子参数的设定和分子力场的选取等。
在构建分子模型时，需要仔细设计分子的态函数和相互作用参数，以确保模拟结果的准确性。
4、计算条件的调整在模拟过程中，还需要对计算条件进行调整，包括温度和压力的设定、时间步长的选择、充分程度的控制等。
分子动力学模拟方法在材料科学中的应用材料科学是一个广泛的领域，涉及多种不同类型和性质的材料，例如金属、聚合物、陶瓷、半导体和生物材料等。
这些材料在实际应用中的性能和可靠性往往取决于其内部结构和物理/化学特性。
因此，材料科学家经常需要研究材料的微观结构和性质，以了解它们的性能和制备方法，并指导新材料的设计和生产。
分子动力学模拟方法是一个在材料科学研究中广泛应用的计算工具，它可以模拟和预测材料的动力学行为和相互作用，为材料科学家提供有价值的信息。
本文将重点介绍分子动力学模拟方法在材料科学中的应用，包括其基本原理、计算方法和应用实例。
一、分子动力学模拟方法原理分子动力学是一种基于牛顿运动定律和分子力学原理的计算模拟方法。
在分子动力学模拟中，一个材料被视为由大量原子或分子组成的“颗粒”，并用牛顿力学规律来描述其运动和相互作用。
具体来说，分子动力学模拟主要包括以下几个步骤：1.确定算法模型和初始条件分子动力学模拟需要根据材料的特性和问题的需求来选择一个合适的算法模型，如力场模型、粘弹性模型或序参量模型等。
同时，需要给定初始的原子位置、速度、温度和压力等条件。
2.确定相互作用势能函数相互作用势能函数是分子动力学模拟的核心，它描述了分子之间相互作用的势能和力场响应。
常用的势能函数包括莫尔-库仑函数、范德华力函数、键角势函数等。
3.求解牛顿方程牛顿方程是分子动力学模拟的基本方程。
通过对每个原子施加力的均衡，牛顿方程可以计算出每个原子的位移和速度，从而得出整个系统的动态演化。
4.计算系统热力学性质在分子动力学模拟中，可以计算材料的热力学性质，如温度、能量、热容等。
通过这些性质可以研究材料的相变、热传导和热稳定性等特性。
二、分子动力学模拟方法计算和分析分子动力学模拟常用的计算方法有例如正则系综（NVT）和巨正则系综（NPT）等。
这些方法包括热力学过程的模拟，如吸收、扩散或表面反应等。
分子动力学模拟的应用范围很宽广。
分子动力学模拟方法的基本原理与应用分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation, MD）是一种计算方法，用于模拟和研究分子系统的动力学行为。
它基于牛顿运动定律和分子间相互作用力，通过离散化连续系统，以微分方程的形式求解粒子的运动轨迹。
分子动力学模拟方法广泛应用于材料科学、物理化学、生物医学等领域的研究中。
1.定义系统：选择模拟的分子系统，包括分子种类、数量和初始位置和速度。
2.建立模型：为分子系统建立力场模型，即定义分子之间的相互作用势能函数，通常采用分子力场（常用的如经典力场、量子力场等）。
3. 运动方程的求解：根据牛顿运动定律，通过求解粒子的运动方程来模拟系统的动力学行为。
常见的求解算法有Verlet算法、Euler算法和Leapfrog算法等。
4.进行模拟：通过迭代求解的方式，模拟系统在给定条件下的运动行为，确定粒子的轨迹和能量变化。
5.分析结果：根据模拟得到的数据，进行数据分析和结果解释。
可以计算系统的物理性质（如能量、温度等）以及分子间的相互作用行为和动力学过程。
1.材料科学：用于研究材料的结构、热力学性质和动力学行为，设计新材料和改进材料性能。
例如，通过模拟纳米材料的力学性质和变形行为来指导纳米器件的设计和材料加工过程。
2.物理化学：用于研究化学反应的机理、反应动力学和能量转化过程。
例如，通过模拟催化剂表面上的分子运动，揭示催化反应的反应途径和选择性。
3.生物医学：用于研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的结构和功能，模拟蛋白质的折叠过程，分析蛋白质-配体的相互作用。
这可以为药物设计和疾病治疗提供理论指导。
4.环境科学：用于模拟地球上的大气、水体和土壤中的分子运动，研究大气污染和环境污染物的扩散、迁移和转化过程。
5.能源和储存：用于模拟电池材料、太阳能材料等，帮助优化能源转化和储存过程，提高能量利用效率。
总之，分子动力学模拟是一种重要的计算方法，通过模拟分子系统的动力学行为，可以深入了解和预测各种物质的性质和相互作用行为，为实验研究提供理论指导和解释。
分子动力学模拟的原理和应用1. 简介分子动力学 (Molecular Dynamics, MD) 是一种计算模拟的方法，用于研究原子或分子在不同条件下的行为和性质。
它通过求解牛顿运动方程来模拟相互作用的粒子的运动轨迹。
这种方法在材料科学、生物物理学、化学以及生物化学等领域有着广泛的应用。
2. 原理2.1 动力学方程分子动力学模拟的基本原理是根据牛顿第二定律建立运动方程。
对于一个包含N个粒子的系统，其位形和动量分别由粒子的坐标和动量矢量来表示。
系统的总能量可以通过粒子的动量和势能之和来计算。
2.2 势能函数在分子动力学模拟中，粒子之间的相互作用通常用势能函数来刻画。
常见的势能函数包括分子力场模型、量子力场模型和经验势能等。
这些势能函数可以根据实际问题进行选择和优化。
2.3 积分算法为了求解牛顿运动方程，需要使用数值积分算法。
常用的算法有Verlet算法、Leapfrog算法和Runge-Kutta算法等。
这些算法用于计算粒子的坐标和动量的更新。
2.4 边界条件在分子动力学模拟中，为了模拟无限大的系统，需要对边界条件进行规定。
常见的边界条件有周期性边界条件和镜像边界条件等。
这些边界条件可以在模拟过程中保持系统的稳定性和平衡性。
3. 应用3.1 材料科学分子动力学模拟可以用来研究材料的物理性质和相变行为。
例如，可以模拟固体的力学性质和热传导性质，以及液体的粘度和扩散性质。
3.2 生物物理学在生物物理学研究中，分子动力学模拟可以用来研究生物分子的结构和功能。
它可以模拟蛋白质的折叠过程、酶的催化机制、膜蛋白的通道特性等。
3.3 化学在化学研究中，分子动力学模拟可以用来研究化学反应的动力学和热力学性质。
它可以模拟分子间的反应、化学平衡、溶解性等。
3.4 生物化学生物化学研究中，分子动力学模拟可以应用于药物设计和药效评价。
它可以模拟药物与靶标蛋白的相互作用，预测药物的活性和选择性。
3.5 其他领域除了上述领域，分子动力学模拟还可以在材料设计、能源储存、环境科学等多个领域中应用。
分子动力学模拟技术及其应用分子动力学模拟是一种重要的计算化学方法，它能够模拟分子内部运动以及相互作用的变化情况，是分子科学中不可或缺的工具。
随着计算机技术的飞速发展，分子动力学模拟技术也在不断地发展和完善，为科学研究和技术应用提供了前所未有的便利。
一、分子动力学模拟技术的基本原理分子动力学模拟技术是以牛顿力学为基础的，利用计算机对具有一定物理结构的分子体系进行数值模拟。
其基本原理是根据牛顿第二定律和动力学方程描述分子的运动和相互作用，然后通过计算机模拟这些运动和相互作用的变化，从而得到有关分子结构和性质的信息。
分子动力学模拟技术需要根据所研究的分子体系的情况，设定特定的初始条件，如初始位置、初始速度、温度等，然后计算出分子的质心和每个原子的位置、速度、受力等物理量，并根据计算结果更新相应物理量的数值，不断迭代，直到达到定义的结束条件，比如计算时间、统计样本的数量等。
这样，通过分子动力学模拟，可以得到分子内部结构和性质的相关信息，如分子的结构、能量、振动频率、散射截面等。
二、分子动力学模拟技术的应用分子动力学模拟技术在计算化学和材料科学等领域已经得到广泛应用，以下将介绍其在生物、纳米和材料科学等方面的应用案例。
1. 生物科学在生物化学研究中，分子动力学模拟技术已经成为了一种不可或缺的工具。
例如在药物设计研究中，分子动力学模拟技术可以模拟药物分子与受体之间的相互作用，预测药物在受体内的结合位置和结合强度，为药物研发提供重要的信息。
分子动力学模拟还可以用来研究蛋白质的结构和功能，预测蛋白质的构象变化和动态性质，探究蛋白质与其他分子之间的相互作用等。
2. 纳米科学分子动力学模拟技术在纳米科学中的应用也非常广泛。
例如，利用分子动力学模拟技术可以计算出纳米结构的弹性性质、形变率等宏观性质，揭示纳米结构的力学响应和热稳定性等特性。
此外，在研发纳米材料方面，分子动力学模拟技术可以模拟纳米材料的生长过程和晶格缺陷的形成与演化，为材料设计和优化提供便利。
化学分子动力学模拟的原理和应用随着计算机技术的不断发展和进步，分子模拟技术在化学、物理、生物等学科中得到了广泛的应用，其中分子动力学模拟是其中比较重要的一种方法。
分子动力学模拟是一种数值模拟技术，利用分子动力学方程模拟分子之间的相互作用和运动规律，从而揭示分子的结构、性质、运动和相互作用等，能够对活性物质的设计与评价起到重要的作用。
一、分子动力学模拟的原理分子动力学模拟是一种基于牛顿力学的方法，它使用运动方程来描述在各种外部场下，分子的运动轨迹。
既反映了分子中各个原子之间的相互作用，也体现了整个系统的运动规律。
简单来说，分子动力学模拟是在已知原子间作用势和运动方程的条件下，以数值方法计算分子的运动和结构的方法。
分子动力学模拟的基本步骤分为以下几部分：1、布朗运动模拟模拟分子在溶液中的布朗运动，通过计算分子的位置和速度之间的关系，可以得出分子受到的作用力。
2、势函数计算计算分子所受到的各个势函数，如位能、马德隆势等。
3、运动方程求解根据分子所受到的力以及它们相互之间的运动规律，求解运动方程，对数值解得出各点的位置和速度。
4、相互作用计算对于每两个相互作用的粒子，根据其位置和速度计算出与一点位置的距离，再代入相互作用的势函数，最后计算出所有相互作用的和。
5、轨迹预测根据初始条件以及数学模型，预测出分子的轨迹和状态，最后得出分子的结构、动力学和热力学等性质。
二、分子动力学模拟的应用分子动力学模拟的应用十分广泛，不同领域有所不同的应用。
下面列举出几个典型的应用场景。
1、药物发现在新药研发过程中，研究分子相互作用和分子构象改变等问题十分重要。
使用分子动力学模拟，可以得到分子的能量、熵、电荷分布等信息，为药物设计和评价提供依据。
2、材料开发分子动力学模拟可以用于模拟材料的力学性能、热导性能和光学性能等。
例如，可以用此模拟在不同应力下的金属疲劳，探究其疲劳机理。
3、化学反应机理在化学反应中，可以使用分子动力学模拟来研究各个物种之间的反应，从而探讨反应的机理。
分子动力学nvt引言分子动力学(Molecular Dynamics，MD)是一种模拟原子或分子在经典力学框架下运动的计算模型。
NVT表示系统在常定容积(V)、定温(T)、恒定粒子数(N)的条件下进行模拟。
本文将详细介绍分子动力学模拟中的NVT模拟方法及其应用。
分子动力学模拟基本原理分子动力学模拟是通过数值方法解决封闭系统的牛顿运动方程来模拟系统的时间演化。
在MD模拟中，分子之间的相互作用力通常使用势能函数来描述，如Lennard-Jones势能和Coulomb势能。
系统中的每个粒子位置和速度均可以通过数值积分求解。
由于计算机资源的限制，实际模拟的时间步长会有所缩放。
MD模拟的基本步骤如下：1.初始化系统：设置粒子的初始位置和速度，并计算初始势能。
2.首先进行一个短暂的平衡过程，使系统达到一定的温度和能量稳定状态。
3.开始长时间模拟，采用时间步长Δt进行数值积分，并计算粒子的位置和速度。
4.根据计算得到的位置和速度，更新系统的状态。
5.重复步骤3和4直到达到模拟时间的要求。
NVT模拟方法NVT模拟是分子动力学模拟中常用的一种方法，其保持系统的温度恒定。
在NVT模拟中，系统受到一个外部热浴的作用，以保证系统的温度保持在所设定的值。
常用的NVT模拟方法有多种，其中较为常见的方法有：随机力算法随机力算法是通过在分子运动方程中引入一个随机力项来模拟系统与热浴的相互作用。
随机力的引入可以通过Langevin方程来描述，该方程可以有效地在模拟中维持系统的恒温。
随机力算法的优点是简单易用，但其缺点是无法准确描述热浴与系统的相互作用。
正则系综法正则系综法(Nose-Hoover法)是一种通过引入额外的自由度控制系统温度的方法。
该方法通过在分子运动方程中添加一个Nose-Hoover热浴项，从而使系统能够自由地与热浴交换能量和动量。
正则系综法的优点是能够较为准确地控制系统的温度，但其缺点是计算量较大，对计算资源要求较高。
分子动力学模拟及自由能计算一、引言分子动力学模拟是一种通过计算机来模拟分子运动以及相互作用的方法。
自由能计算则是对分子系统中各个状态的能量进行评估，从而得到系统的稳定状态。
本文将介绍分子动力学模拟及自由能计算的基本原理和应用。
二、分子动力学模拟的原理分子动力学模拟基于牛顿力学和统计力学的原理，通过数值积分求解粒子的运动方程，模拟分子在特定条件下的运动行为。
在模拟中，分子被看作是一组粒子，每个粒子都受到其他粒子的相互作用力以及外部势场的作用。
通过计算每个粒子的位置和速度的变化，可以推断整个系统的动力学行为。
三、分子动力学模拟的应用1. 材料科学研究：分子动力学模拟可以用于研究材料的力学性质、热学性质以及相变行为等。
通过模拟材料中的原子或分子的运动，可以预测材料的力学性能和热学性能，并指导新材料的设计与制备。
2. 生物医学研究：分子动力学模拟可以用于研究生物分子的结构和功能。
通过模拟蛋白质、核酸和膜等生物分子的运动，可以揭示其在生物学过程中的作用机制，为药物设计和生物医学研究提供理论依据。
3. 环境科学研究：分子动力学模拟可以用于研究环境中的污染物的迁移和转化过程。
通过模拟污染物与水、土壤等环境介质的相互作用，可以评估污染物的迁移路径和转化速率，为环境保护和污染治理提供科学依据。
四、自由能计算的原理自由能是描述系统稳定状态的物理量，它包括系统的内能和熵。
自由能计算的目的是通过计算系统各个状态的能量，从而得到系统在不同条件下的稳定状态。
常用的自由能计算方法包括热力学积分法、Monte Carlo方法和分子动力学模拟等。
五、自由能计算的应用1. 化学反应动力学：自由能计算可以用于研究化学反应的速率和平衡常数。
通过计算反应物和产物的自由能差，可以预测反应的活化能和平衡常数，为化学反应机理的解析提供理论依据。
2. 相变行为研究：自由能计算可以用于研究物质的相变行为。
通过计算不同相之间的自由能差，可以确定相变点和相变过程的热力学性质，为相变行为的理解和控制提供科学依据。
分子动力学模拟方法的基本原理与应用摘要：介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势，如Lennard-Jones势；论述了儿种常用的右限差分算法，如Verlet算法；说明了分子动力学模拟的儿种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。
关键词：分子动力学模拟；原子间相互作用势；右限差分算法；分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。
分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型枳分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法(Molecular Dynamics Simulat ion, MDS),实践证明是一种描述纳米科技研究对象的有效方法，得到越来越广泛的重视。
所谓分子动力学模拟，是指对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程，从而计算系统的结构和性质，其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验彭场作用下按牛顿定律运动。
它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段，称之为“计算机实验”手段，在物理学、化学、生物学相材料科学等许多领域中得到广泛地应用。
科学工作者在长期的科学研究实践中发现，当实验研究方法不能满足研究工作的需求时，用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息：尽管计算机模拟不能完全取代实验，但可以用來指导实验，并验证某些理论假设，从而促进理论和实验的发展。
特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节，在实验中基本上是无法获得的，而在计算机模拟中即可以方便地得到。
这种优点使分子动力学模拟在材料研究中显得非常有吸引力。
分子动力学模拟就是用计算机方法来表示统计力学，作为实验的一个辅助手段。
分子模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统，求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗H方程)，其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用下运动，通过分析系统中各粒子的受力情况，用经典或最子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度，以确定粒子的运动状态，进而计算系统的结构和性质。
该模拟技术主要涉及粒子运动的动力学问题，与蒙特卡罗模拟方法(简称MC)相比，分子动力学是一种“确定性方法”，它所计算的是时间平均，而MC进行的是系综平均。
然而按照统计力学各态历经假设，时间平均等价于系综平均°因此，两种方法严格的比较计算能给出几乎和同的结果。
经典的分子动力学方法是Alder等于1957年提岀并首先在“硬球”液体模型下应用，发现了由Kirkwood在1939年根据统计力学预言的“刚性球组成的集合系统会发生有液相到结晶相的转变”。
后来人们称这种相变为Alder相变。
Rahman于1963年采用连续势模型研究了液体的分子动力学模拟。
1972年Less等发展了该方法并扩展了存在速度梯度的非平衡系统。
1980年Andersen等创造了恒压分子动力学方法。
1983年Gillan等将该方法推广到具有温度梯度的非平衡系统，从而形成了非平衡系统分子动力学方法体系。
1984年Nose等完成了恒温分子动力学方法的创建。
1985 年针对势函数模型化比较困难的半导体和金屈等，Car等提岀了将电子论与分子动力学方法有机统一起來的第一性原理分子动力学方法。
1991年Cagin等进一步提出了应用于处理吸附问题的巨正则系综分子动力学方法。
20世纪80年代后期，计算机技术飞速发展，加上多体势函数的提出与发展，使分子动力学模拟技术有了进一步的发展。
1、分子动力学的运动方程：分子动力学模拟的出发点是假定粒子的运动可以用经典动力学来处理，对一个由N 个粒子构成的孤立体系，粒子的运动由牛顿运动方程决定，也就是：mid2ri/dt2=- r2, r f),式中，nu, “分别为第i个原子的质量和位置。
▽产-0/3“, V(m r2, r f) 为体系所处的势。
2、运动方程的数值积分：计算机模拟方法的基点是利用现代计算机高速和精确的优点，对几百个以至上千个分子的运动方程进行数值积分有许务不同的积分方法，它们的效率和方便程度各界问题基本上就是用河限差分法来对二阶常微分方程进行积分常用的有以卜•几种方法：2 1、Verlot算法叫Verlet算法是在60年代后期岀现的，对扩散分子的质心运动的积分是最稳定的也是最常用的数值方法。
它运用t时刻的位置和加速度以及t时刻的位置來预测t+8t 位置，其积分方案，以三阶Taylor•展开为基础，由以下方程给岀：r(t+8t) =2r(t)-r(t-8t)+8t2a (t)这里，为简单计，省略Ti•速度可按微分的基本法则得出:V(t)=[r(t+5t)-r(t-8t)]/25t0 这种算法的优点是占有计算机的内存小，并且很容易编程。
但它的缺点是位Br(t+8t) 要通过小项©2)与非常人的两项2r(t)和心&)的差相加得到，这容易造成精度损失。
并且从式中可以看出，这种算法不是一个自启动算法，新位置必须由t和tdt时刻的位置得到。
2.2、的预侧-校正算法：这种算法分为三步来完成：首先，根据Taylor展开，预测新的位置、速度和加速度。
然后，根据新的计算的力计算加速度。
这个加速度再由与Taylor级数展开式中的加速度进行比较，两者之差在校正步里用來校正位置和速度项。
这种方法的缺点就是占有计篦机的内存大。
2.3、“蛙跳”(Leap-frog)算法⑵：Hockey提出的Leap-frog算法是Verlet算法的变化，这种方法设计半时间间隔的速度,即：r(t+8t)=r(t)+8tv(t+5t/2), v(t+8t/2)=v(t-8t/2)+5ta(t)« t 时刻的速度由下式给Hl：v （t）=[v（t+8t/2）+v（t-5t/2）]/2。
这种算法与Verier算法相比冇两个优点：（1）包括显速度项；（2）收敛速度快，计算最小。
这种算法明显的缺陷是位置和速度不同步。
除了上述提及的儿种方法外，还右° Beeman隽法、Rahman等。
3、周期性边界条件和长程力：即使是便用现代的巨型计SZ机，MD方法还星只能用于粒子数大约是几百到几千的系统。
这就引起一个问题：用这样少量的粒子，如何来模拟宏观体系？为了解决这个问题，引入了周期性边界条件卩】。
采用这种方法，模拟体系实际上是由基本单元（也称为模拟计算元胞）在各个方向上重复叠合而成。
但在模拟中只需保留基本单元，所有其它单元与基本单元由平移对称性关联。
在处理粒子之间的相互作用时，通常采用“最小影像”约定。
这个约定是在由无穷重复的MD基本模拟计算元胞中，一个粒子只与它所在的基本元胞内的另外N-1 个（设在此元胞内有N个粒子）中的每个粒子或其垠邻近影像粒子发生相互作用。
实际上，这个约定就是通过满足不等式条件r c<L/2來截断位势（门为截断半径，L 是元胞的边长）通常L的数值应当选得很人，以避免有限尺寸效应，但这样会增人计算量，同城采用对相互作用势的修正来近似处理。
4、势函数：MD模拟结果准确与否的关键在于对系统内的原子之间相互作用势函数的选取, 总的来说，原子（或分子）之间的相互作用势的研究进展一直很缓慢，在一定程度上制约了MD 方法在实际研究中的应用，原子间的势函数的发展经历了从对坍到多体势的过程，对势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用，与其它原子的位置无关，而实际上，在多原子体系中，一个原子的位置不同，将影响其它原子间的有效相互作用。
所以，多体势能更准确地表示多原子体系势函数。
4.1、对势:在分子动力学模拟的初期，经常采用的就是对势。
对势可以分为间断对势［1】和连续对势，而连续对势主要有以卜几种：Lennard Jones (L-J)势、Boni-lande (B-L) 势、Morse 势和Johnson孙等，其中，L-J势是为描述惰性气体分子之间的相互作用而建立的，因此它表达的力比较弱，描述材料的行为也比较柔韧，也町以用来描述过渡金属原子之间的相互作用。
B丄势是用来描込离子晶体离子之间的相互作用的。
MorsP势和Johnson坍篦川丁•描述金属原子之间的相互作用°对孙虽然简单•・得到的结果往往也符合某些宏观物理规律，但其缺点是必然导致Cauchy关系，所以，对势实际上不能准确地描述晶体的弹性性质。
4.2、多体势：多体势是在20世纪80年代初期开始出现的，1984年Daw和Baskes首次提出了原子嵌入(EAM)势囹。
此势的基本思想是：把晶体的总势能分成位于晶格点阵上的原子核之间的相互作用对坍和原子核镶嵌在电子云背景中的嵌入能(多体相互作用)两部分，其中，对势和多体作用势的函数形式往往根据经验选取。
基于EAM 势的势函数还有很多种，这些多体势人多用丁•金属的微观模拟，此外，还有许多形式的多体势函数形式，1987年Jacobsen等人在等效介质原理的基础上提出的另一种多体势函数形式，由于其简单、有效，也得到了广泛地应用。
5、分子动力学模拟的系综：平衡态分子动力学模拟是在一定的系综瞎进行的，经常用的平衡系综是NVT或NPT系综。
在这两种系综中，牵涉到控制温度和压力的几种技术，分别如25.1、控温方法:(1)速度标定：系统的温度与动能存在如下关系:比=丫？零=竺泸口，式中，N是原子数，2是约束数，K B是Boltzmann常数，w是原子i的速度。
由于系统的温皮和动能存在这样的关系，所以一种最简单和最直观的方法是直接对速度进行标定。
这种方法的基本思想是：如果t时刻的温度是T(t),速度乘以因子入后，温度的变化为AT二（入F）T（t）,其中，入=07丽，T为所控制体系的温度。
（2） Berendsen恒温槽方法：这种控温方法假设所模拟的体系与一个恒温槽连载一起，则两者之间就可以通过热交换而便模拟体系达到恒温的目的，方法如下，定义一个参数入：入=+加（T 一乙）/「式中T表征系统与恒温槽之间的热交换速率，At为MD的时间步长，那么通过Vnew=AVold校正即可保持体系的温度在T。
附近震动，而参数丫（通常取为0. l~0.4ps）则可用于控制这个震动幅度。
（3）Nose-Hoover方法：这种方法是通过改变模拟体系的Hamiltonian来实现控温的，因而有更强的物理意义，其基本思想就是在Haniiltoiiian加入一个假想的项来代表一个恒温源，具体做法如下：H =》0评/2 + V（r） + Q ^/2 + gKTlnS,式中，S和«分别是假想项的坐标和动量。
这样体系的微分方程就变为：vi=dn/dr, ain （dV/dr+mivi0/mi, d#= 山2—9K B T）/Q。
