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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 LCAO 178

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

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