实验四介观动力学模拟27396.docx
《实验四介观动力学模拟27396.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验四介观动力学模拟27396.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
实验四介观动力学模拟27396
《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Hoogerbrugge和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洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’sequation）来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—比如MSMartini力场—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，可以应用于生物分子体系。
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）。
每种力场类型又分为若干子类型，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，应用于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Reset。
2、建脂质分子，建模过程要用到Mesostructuretoolbar
，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
，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
，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Numberofbranchestoattach为1，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BeadTypeName，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。
（1）选择Modules-Mesocite-ForcefieldManager或点击Mesocitetools
，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。
（2）打开MSMartiniCIS.off文件，点击Interactions。
在Showinteraction下拉选项中选择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。
（3）选择Modules|Mesocite|Calculation或点击Mesocitetools
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。
（4）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MesociteProparationoptions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：
BeadTypeName
MSMartiniForcefieldType
Charge
C
C1
0
GL
Na
0
PO
Qa
-1.0
NC
Q0
1.0
选择PO珠子，在PropertiesExplorer中，设置Charge为-1，同样把NC设置为1。
（5）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按钮
，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-C。
此时会显示出两个接近156.50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.xsd。
4、建立双分子层结构。
（1）选择Build|BuildMesostructure|MesostructureTemplate或点击Mesostructuretoolbar
中的MesostructureTemplate
，打开BuildMesostructureTemplate对话框。
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。
（2）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.xsd。
lipidfiller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按钮。
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：
（3）双击mesostructuretemplate.msd。
在BuildMesostructure对话框中，点击Build按钮。
得到下图所示结构：
（4）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。
（5）在菜单栏中选择File|SaveProject，选择Window|CloseAll。
5、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：
BeadTypeName
MSMartiniForcefieldType
Charge
C
C1
0
GL
Na
0
PO
Qa
-1.0
NC
Q0
1.0
W
P4
0
（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MesociteCalculation/JopControl中的Runinparallelon[]ofiprocessors，把可用的CPU调到最大值（此后在几何优化过程，还是动力学过程，为了充分利用服务器，CPU都调到最大值）。
点击Run。
（3）第二次构型优化
双击打开优化过的bilayer.xsd
在MesociteCalculation对话框中选择Setup按钮；
点击More...打开MesociteGeometryOptimization对话框，选中Optimizecell；
关闭MesociteGeometryOptimization对话框。
点击Run。
（4）动力学优化
双击打开第二次优化过的文件bilayer.xsd
在Setup中，选择Task为Dynamics，点击More...按钮，打开MesociteDynamics对话框。
设置Timestep为20fs，Dynamictime50ps，改变Ensemble为NPT。
选择Thermostat按钮，设置Thermostat为VelocityScale。
点击Barostat按钮，设置Barostat为Andersen。
在MesociteCalculation对话框中点击Run。
（5）第二次动力学优化
双击打开bilayerMesociteDynamics文件夹下的bilayer.xtd
文件；
在MesociteDynamics对话框中选择Thermostat按钮，设置Thermostat为Nose。
设置Qratio为1600。
设置Timestep为40fs，Dynamictime200ps，点击Dynamics按钮，设置Frameoutputevery为100steps。
在MesociteCalculation对话框中，选中Restart；
点击Run。
弹出警告对话框，点击Yes。
（6）选择File|SaveProject，选择Window|CloseAll。
6、结果分析，以角度分布和沿Z轴浓度分布为例。
（1）角度分布：
双击打开bilayerMesociteRestart文件夹下的bilayer.xtd文件；
双击打开DPPCMesociteGeomOpt文件夹下的DPPC.xsd文件。
在DPPC.xsd下，用Measure/change工具，选择下图所示两个角度。
选择GL-PO-GL键角。
在菜单栏中选择Edit|FindPatterns，打开FindPatterns对话框。
定义优化过的DPPC.xsd文件作为Patterndocument，并且确定键角GL-PO-GL仍然被选中。
改变Matchproperty为BeadTypeName。
打开轨迹文件bilayer.xtd，点击Find。
点击NewSets...按钮，打开DefineNewSet对话框，键入GL-PO-GLAngles，点击OK按钮。
在bilayer.xtd文件中取消选定。
同样定义sets为C-PO-CAngles。
选择Modules|Mesocite|Analysis，或点击mesocitetools
，选择Analysis；
打开MesociteAnalysis对话框，在Analysis选项中选择Angledistribution；
在Sets下选项中选择GL-PO-GLAngles，点击Analyze。
同理，分析键角C-PO-CAngles。
把数据拷贝到excel中，作图可得：
（2）Z方向浓度分布
双击打开bilayerMesociteRestart文件夹下的bilayer.xtd文件；
选择Edit|Editsets，打开Editsets对话框，按下ALT键，双击任意W珠子，选中了所有的W珠子。
在Editsets对话框中，点击New…，打开DefineNewSet对话框对话框，键入W，点击OK。
同理，定义SetsNC、PO、GL、C。
选择Modules|Mesocite|Analysis，或点击mesocitetools
，选择Analysis；
打开MesociteAnalysis对话框，在Analysis选项中选择Concentrationprofile；
Sets选择W，选中Specifieddirection（hkl），改为001；
点击Analyze；
同理分析NC、PO、GL、C。
把数据拷贝到excel中，作图可得：
本实例为软件帮助中的实例教程，参数设置原因可参考Help帮助文件。
参考文献：
S.J.Marrink,H.J.Risselada,S.Yefimov,D.P.Tieleman,A.H.deVries.,"TheMARTINIforcefield:
coarsegrainedmodelforbiomolecularsimulations.",J.Phys.Chem.B,111:
7812-7824,2007.
实验步骤及注意的问题
1、构建5种珠子C、GL、PO、NC、W，设置Mass为72，Radium为2.35
2、构建DPPC脂质分子
3、构建力场
4、给DPPC分子分配力场，优化分子结构，调整角度，获得DPPC分子的最终构型
5、构建水分子构型
6、构建盒子
7、填充盒子
8、导出.xsd构型文件
9、给盒子分配力场
10、初步优化盒子
11、选中optimizedcell进一步优化盒子（注意能量变化曲线，如太高，需进一步优化，一般需要优化2-3次）
12、对优化后的构型进行初步分子动力学模拟（timestep20fs，Dynamictime50ps）
13、改变参数设置，再次进行分子动力学模拟（timestep40fs，Dynamictime200ps）
14、在DPPC分子中选中GL-PO-GL以及C-PO-C两个角度，选定findpattern，在.xtd轨迹文件中find所有的角度
15、对角度分布进行分析
16、在.xtd轨迹文件editsets，选定5种原子，对其浓度分布进行分析。
17、将两个角度分布导入EXCEL，将5中原子浓度分布导入EXCEL，分别作图。
四、作业
1、模拟油水混合溶液的分层构型，油选择癸烷作为油相代表
（1）构建癸烷分子并对其进行优化获得如下结构
（2）选择粗粒化珠子
点击粗粒度转化分子工具
，弹出Coarsegrain对话框，在对话框中选中Motiongroups，点击more，选中分子中前面个碳原子作为一个粗粒化珠子，点击Motiongroups对话框中的create，产生第一个类型的粗粒化珠子；同理，定义中间的两个碳原子作为第二个类型的粗粒化珠子。
关闭Motiongroups对话框。
（2）分配珠子，获得粗粒化珠子结构
点击Coarsegrain对话框中的beadtyping中的create，获得BeadTyping.std的珠子类型文件。
选择patterns，从下拉框中选中该珠子类型文件；点击Coarsegrain对话框下面的built文件。
获得粗粒化之后的珠子结构。
（3）对珠子分配力场（MSMartini，该力场为软件自带力场，不需要修改参数），两种珠子均属于C1类型，电荷为零，优化珠子构型，获得稳定结构。
（4）构建水珠子，Mass72，Radius2.35
（5）构建32*32*32的盒子，在Filtter中键入一个名字，如solvent，点击built，获得一个空的立方体盒子。
（6）在对话框中点击Filtters，点击Add，键入另外一个名字，如Water。
关闭对话框。
（7）点击
，填充盒子，选中优化后的粗粒化硅烷分子和水珠子，比例（Relativeamount）为1：
1；点击Packing，将Lengthscale设为1，Density设为0.00836，点击built构建填充后的盒子。
（8）将构建后的后缀为.msd的盒子导出为xsd构建文件（如上面所属）。
（9）分配力场（MSMartini），水分子属于P4力场，优化分子构型
（10）进行分子动力学优化（10fs，500ps，500step）获得构型后，对其显示方式（displaystyle）进行设置，扩展构型，观察油水分离现象。
（10）分别显示水珠子和两种类型碳珠子的密度分布。
W
C2
C1
升级会员 