实验四介观动力学模拟.docx
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实验四介观动力学模拟
《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
0K。
本实例是在软件所有参数在默认的情况下进行的，选择Tools-Settings
Organizer，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按钮旦，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Randomizeorderwithinrepeatuni，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站，选择
ForcefieldManage,选择MSMartini，点击>>，打开力场文件。
在ProjectExplorer中，把文件名改为MSMartiniClS.off。
（2）
Mesocitetools悶选择
打开MSMartiniClS.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
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Geometry
Optimization。
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156.53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Mesostructure
MesostructureTemplate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Mesostructure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.xsdo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。
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