实验四：介观动力学模拟.docx

《计算材料学》实验讲义实验八：介观动力学模拟一、前言1、介观模拟简介长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微秒）更大,应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法（dissipativeparticledynamics,DPD），它是根据Hoogerbrugg醉日Koelman提出的一种针对柔性（soft）球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn）,应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自治场方法，使用了朗之万方程（Langevin'sequation^描述体系演化的动力学。

1）MS-Mesocite简介MSMesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间MSMesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质MSMesocite的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场（Forcefield）方法一比如MSMartini力场一来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等同时，您还可以使用力场编辑工具对MSMesocite的力场进行编辑，以获得满足特殊要求的力场，从而拓展了MSMesocite的应用范围应用Mesocite进行动力学模拟时，最主要的是得到精确的力场Martini力场，是由Marrink提出的，可以应用丁生物分子体系Martin力场中包括四种主要的力场类型：极性(polar-P)、非极性(apolar-C)、无极性(nonpolar-N)、带电(charged-Q。

每种力场类型乂分为若干子类型，极性和非极性根据极性高低下分有五种类型(用下坐标1-5表示)，无极性和带电的更具氢键结合能力分为四种类型(d-氢键供体，a氢键受体，da-两个都有，o-都没有)，这样使得Martini力场能够更加精确的描述体系性质，应用丁更多不同的有机分子体系二、实验目的1、了解介观模拟方法及应用领域2、了解Martini力场的3、掌握Mesocite模块的基本操作三、实验内容以下以介观动力学模拟脂质双分子层为例，熟悉Mesocite的基本操作1、打开MS,选择creatednewproject，键入CG-bilayer作为工程的名称，点击OK本实例是在软件所有参数在默认的情况下进行的，选择Tools-SettingsOrganizer,选中CG-bilayer,点击Reset2、建脂质分子，建模过程要用到Mesostructuretoolbar冬务「S3E2,如在工具栏中没有此建模工具，点击菜单栏中的view-toolbar-mesostructure,调出此建模工具1) 点击BeadTypes按钮日，打开BeadTypes对话框点击Properties按钮，打开BeadTypeProperties对话框，点击Defaults•-按钮，设置Mass为72,Radius为2.35，关闭BeadTypeDefaults和BeadTypeProperties对话框。

在BeadTypes对话框中，定义一下珠子类型：C、GL、PO和NC,关闭对话框(2) 点击Mesomolecule按钮点，打开BuildMesomolecule对话框定义粗粒化分子，依次选择4个C、1个GL、1个PO、1个GL和4个C,确定不选Randomizeorderwithinrepeatunit点击Build按钮在Mesomolecule.xsd文件中左击PO珠子，删除BuildMesomolecule对话框中所有的珠子选中Addtobranchpoints,点击more••按钮，打开MesomoleculeBranches对话框设置Numberofbranchestoattach1,关闭对话框在BuildMesomolecule对话框中选择1个NC点击Build按钮在显示面板中右击，选择Label,打开label对话框，在properties一栏中选择BeadTypeNamq点击Apply,可以检测建立的粗粒化分子是不是正确，可以对比下图3) 关闭BuildMesomolecule对话框在ProjectExplorer,把Mesomolecule.xsd文件名改为DPPC.xsd。

我们得到以下粗粒化分子结构：3、更改Martini力场，分配力场，优化脂质分子选择Modules-Mesocite-ForcefieldManager或点击Mesocitetool骚>选择ForcefieldManage,选择MSMartini,点击>>,打开力场文件在ProjectExplorer中，把文件名改为MSMartiniCIS.off打开MSMartiniCIS.off文件,点击Interactions在ShowinteractionT拉选项中选择AngleBend在空白框中，设置Fi和Fk到Na以及Fj到Qa改变FunctionalForm为CosineHarmonic设置TO为120,KO为10.8关闭力场文件并保存O选择Modules|Mesocite|Calculation或点击Mesocitetools说’选择Calculation;打开MesociteCalculation对话框，点击Energy,在Forcefield的下拉选项中选择Browse...,在ChooseForcefield对话框中选择MSMartiniCIS.off打开DPPC.xsd文件按下ALT键，双击任意C类型珠子，选中所有的C类型珠子。

在MesociteCalculation对话框中，点击More...打开MesocitePreparationoptions对话框，选择C1,点击Assign按钮重复此步，为GL、PO、NC分配力场，分配类型如下表所示:BeadTypeNameMSMartiniForcefieldTypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0选择PO珠子，在PropertiesExplorer中，设置Charge为-1,同样把NC设置为1在MesociteCalculation对话框中，点击Setup,改变Task为GeometryOptimization点击Run按钮得到以下结构：(6)在工具栏中，选择Measure/Change®钮下拉选项中点击Angel依次点击左边的C-GL-PO,同样选择右边的PO-GL-Co此时会显示出两个接近156.5°的角度，选在两个角度,在PropertiesExplorer中，设置Angels为230按下ALT键，双击角度，按下Delete得到以下分子结构：(7)参照第二步，定义珠子W,用BuildMesomolecule建模工具，建立一个仅包含W的粗粒化分子。

更改文件名为solvent.xsd4、建立双分子层结构1)选择Build|BuildMesostructure|MesostructureTemplat成点击Mesostructuretoolbar'凭置氐*中的MesostructureTemplate图，打开BuildMesostructureTemplate^话框改变X、YExtents为64,ZExtent为100在Filler中，键入solvent点击Build按钮在BuildMesostructureTemplate对话框中，改变Formertype为Slab改变Depth为44.15,Orientation为AlongZ选中Enablesurfacepacking;在Filler中键入lipid点击Add,关闭对话框选择Build|BuildMesostructure|Mesostructure或点击Mesostructuretoolbar中的Mesostructure,打开BuildMesostructure对话框solventfiller中的MesoscaleMolecule,选择solvent.xsdlipidfiller选择优化的DPPC.xsd。

点击Packing,设置Lengthscale(L)为1,Density为0.00836;不选Randomizeconformations在Packing中，点击More...按钮,打开BeadPackingOptions对话框；双击打开已经优化过的DPPC.xsd选择NC，点击CreatebeadHeadsetfromselection按下CTRL+D取消选定，之后按下CTRL键，选择尾部的两个C珠子在BeadPackingOptions对话框中,改变Beadtag为Tail，点击CreatebeadTailsetfromselection关闭对话框标记后的DPPC结构如下：双击mesostructuretemplate.msd在BuildMesostructure对话框中，点击Build按钮得到下图所示结构：(2) 在菜单栏中选择File|Export...,打开Export对话框，在保存类型下拉选项中选择MaterialsStudio3DAtomisticFiles(*.xsd)，点击Options...按钮，打开MSD/MTDExportOptions对话框，设置Lengthscale为1,点击OK。

改变文件名为bilayer.xsd,保存在(I):选择当前工程的根目录下的CG-bilayerFiles/Documents点击保存(S)此时在projectexplorer会出现一个名为bialyer.xsd的文件3) 在菜单栏中选择File|SaveProject选择Window|CloseAll5、体系优化及动力学过程在ProjectExplorer中，双击bilayer.xsd,打开文件1)分配力场：如第三步中的第四小步，为每种粗粒子珠子分配力场，分配电荷分配类型如下表所示：BeadTypeNameMSMartiniForcefieldTypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40(2)第一次构型优化打开MesociteCalculation对话框；点击Energy按钮，在summationmethod中的Electrostatic的下拉选项中选择Beadbased确保MesociteCalculation/Setup中的Task为GeometryOptimization；选中Meso。