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第一篇 分子模拟理论基础1

第1章 绪论2

1.1 分子模拟2

1.2 基本概念4

1.2.1 坐标系4

1.2.2 分子图形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 模拟方法8

1.3 分子模拟历史9

1.3.1 早期的刚性球势和Lennard-Jones势9

1.3.2 小的非极性分子10

1.3.3 极性分子和离子10

1.3.4 链分子和聚合物10

1.3.5 分子模拟中的系综10

1.3.6 多体相互作用11

1.3.7 非平衡分子动力学模拟11

1.4 模拟资源12

参考文献15

第2章 统计力学基础17

2.1 统计力学基本原理17

2.1.1 系综17

2.1.2 热力学平均18

2.1.3 其他涨落热力学性质19

2.1.4 输运系数21

2.2 粒子动力学22

2.2.1 非约束粒子的运动22

2.2.2 受约束粒子的运动23

2.2.3 维里定理27

参考文献27

第3章 力场28

3.1 势函数29

3.2 简正模式30

3.2.1 特征运动30

3.2.2 分子光谱31

3.2.3 光谱与力常数31

3.3 简单体系的分子力场32

3.4 势能函数的具体形式33

3.4.1 键伸缩势34

3.4.2 键角弯曲势35

3.4.3 二面角扭转势36

3.4.4 离平面的弯曲势38

3.4.5 交叉项40

3.4.6 van der Waals势40

3.4.7 静电相互作用41

3.4.8 氢键势43

3.5 常见的力场43

3.5.1 OPLS力场44

3.5.2 ECEPP/3力场44

3.5.3 AMBER力场45

3.5.4 CHARMM力场45

3.5.5 MM3力场46

3.5.6 CFF力场47

3.5.7 通用力场48

3.5.8 COMPASS力场48

3.6 联合原子和约化处理49

3.7 粗粒力场50

3.7.1 MARTINI力场50

3.7.2 从全原子到粗粒模型52

3.8 多体势53

3.9 水分子力场54

3.9.1 简单水分子模型54

3.9.2 可极化水分子模型56

3.10 选择力场56

3.10.1 力场的命名56

3.10.2 力场的发展趋势57

3.10.3 如何选择力场57

参考文献58

第4章 能量最小化64

4.1 势能面64

4.2 势函数的极小值65

4.3 非导数求极值法67

4.3.1 单纯形法67

4.3.2 按序单坐标逼近法68

4.4 导数求极值法69

4.5 一级导数求极值法70

4.5.1 最速下降法70

4.5.2 共轭梯度法74

4.6 二级导数求极值法75

4.6.1 牛顿-拉森法75

4.6.2 准牛顿-拉森法76

4.6.3 沿对角线分块牛顿-拉森法77

4.7 能量最小化方法的选择和收敛性判据77

4.8 过渡态结构与反应路径78

4.8.1 鞍点和二次区域79

4.8.2 搜寻鞍点81

4.8.3 反应路径82

4.9 溶剂化效应83

参考文献84

第5章 模拟中的基本原理85

5.1 短程相互作用86

5.1.1 相互作用力86

5.1.2 周期边界条件86

5.1.3 非周期边界方法87

5.1.4 最近镜像方法88

5.1.5 近邻列表89

5.1.6 连锁格子方法90

5.1.7 后续处理问题91

5.2 长程相互作用94

5.2.1 Ewald求和法95

5.2.2 反应场方法98

5.2.3 PPPM方法100

5.2.4 树状方法101

5.3 模拟过程103

5.3.1 选择初始构型104

5.3.2 判断平衡104

5.3.3 模拟结果和偏差分析107

参考文献108

第6章 Monte Carlo模拟110

6.1 Monte Carlo模拟中的配分函数110

6.2 Monte Carlo原理112

6.2.1 函数积分112

6.2.2 Metropolis取样和Markov链113

6.3 基本Monte Carlo模拟115

6.3.1 算法116

6.3.2 平动116

6.3.3 取向运动117

6.4 不同系综中的Monte Carlo模拟121

6.4.1 正则系综122

6.4.2 等温等压系综123

6.4.3 巨正则系综125

6.4.4 微正则系综125

参考文献126

第7章 分子动力学模拟128

7.1 积分运动等式128

7.2 Verlet预测方法129

7.2.1 Verlet算法129

7.2.2 蛙跳Verlet算法130

7.2.3 速度Verlet算法130

7.2.4 Beeman算法131

7.3 Gear预测校正方法131

7.3.1 基本的Gear算法131

7.3.2 Gear算法的改进方法132

7.4 分子体系中的积分方法132

7.4.1 小分子133

7.4.2 大分子133

7.5 不同系综中的分子动力学138

7.5.1 微正则系综138

7.5.2 正则系综139

7.5.3 恒压恒焓系综143

7.5.4 等压等温系综145

7.5.5 巨正则系综146

7.6 相关函数148

7.6.1 时间相关函数148

7.6.2 空间相关函数150

7.6.3 输运性质151

参考文献152

第8章 介观模拟155

8.1 耗散粒子动力学模拟155

8.1.1 基本原理155

8.1.2 如何选择步幅和噪声158

8.1.3 如何选择排斥参数159

8.1.4 如何选择Flory-Huggins参数160

8.1.5 DPD在胶体化学中的应用实例161

8.2 介观动力学模拟162

8.2.1 热力学部分163

8.2.2 动力学部分165

8.2.3 参数部分166

8.2.4 介观动力学在聚合物溶液中的应用实例166

参考文献167

第9章 量子化学168

9.1 Schrodinger方程168

9.1.1 Born-Oppenhemer近似169

9.1.2 单电子近似170

9.1.3 原子轨道线性组合近似171

9.1.4 Roothaan方程171

9.2 电子相关和后HF方法172

9.2.1 组态相互作用173

9.2.2 多体微扰方法174

9.3 密度泛函理论176

9.4 基函数（基组）的选择177

9.4.1 LCAO178

9.4.2 STO（Slater type orbital）178

9.4.3 双ζ及三ζ基178

9.4.4 GTO（Gaussian type orbital）179

9.4.5 简缩的Gaussian基组179

9.4.6 分裂价基180

9.5 半经验分子轨道方法181

9.5.1 全略微分重叠方法（CNDO）181

9.5.2 间略微分重叠方法（INDO）182

9.5.3 忽略双原子微分重叠方法（NDDO）182

参考文献182

第二篇 分子模拟实验183

第10章 分子模型的创建与优化184

10.1 分子模型的绘制184

10.2 分子构型优化186

10.3 复杂分子结构的创建189

思考题191

第11章 分子轨道的计算和分析193

11.1 分子轨道等值面图193

11.2 总电子密度图196

11.3 静电势图196

11.4 电荷分布图198

11.5 分子表面199

思考题201

第12章 势能面计算202

12.1 键的断裂203

12.2 分子间的弱相互作用206

12.3 分子构象搜索209

12.4 化学反应势能面扫描213

思考题215

第13章 化学反应模拟216

13.1 计算化学反应的自由能216

13.2 优化搜索过渡态220

思考题225

第14章 分子光谱计算226

14.1 红外和拉曼光谱226

14.2 紫外可见光谱230

14.3 X射线衍射光谱235

第15章 溶液行为的分子动力学模拟239

思考题244

第16章 固体材料表面吸附行为的Monte Carlo模拟245

16.1 吸附等温线245

16.2 吸附构型249

16.3 吸附动力学250

思考题252

第17章 表面活性剂聚集行为的介观模拟253

17.1 DPD方法模拟表面活性剂在溶液中的聚集行为253

17.2 Mesodyn方法模拟嵌段共聚物的相行为256

思考题259

第18章 生物膜的粗粒化模拟260

思考题269

参考文献270

附录271

附录Ⅰ Materials Studio软件简介271

附录Ⅱ Origin自定义函数拟合及构建三维势能面、能量折线图的方法284

1.自定义函数拟合284

2.绘制三维势能面285

3.绘制能量折线图287

后记290