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

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《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（dissipativeparticle

dynamics，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、.

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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-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BeadType

Properties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。

.

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对话框。

BuildMesomoleculeMesomolecule按钮，打开

（2）点击，C和4个个PO、1个GL定义粗粒化分子，依次选择4个C、1个GL、1按钮。

Randomizeorderwithinrepeatunit，点击Build确定不选对话框BuildMesomoleculePO珠子，删除文件中左击在Mesomolecule.xsd中所有的珠子。

BranchesMesomoleculemore…按钮，打开Addtobranchpoints，点击选中，关闭对话框。

为1对话框。

设置Numberofbranchestoattach按钮。

。

点击Build对话框中选择1个NC在BuildMesomolecule一栏中对话框，在properties（在显示面板中右击，选择Label，打开label，可以检测建立的粗粒化分子是不是正确，可，点击Apply选择BeadTypeName以对比下图。

Mesomolecule.xsdProjectExplorer，把BuildMesomolecule对话框。

在3（）关闭DPPC.xsd。

我们得到以下粗粒化分子结构：

文件名改为

力场，分配力场，优化脂质分子。

3、更改Martini

选择或点击Mesocitetools，

（1）选择Modules-Mesocite-ForcefieldManagerProjectExplorer打开力场文件。

在点击选择MSMartini，>>，ForcefieldManage，MSMartiniCIS.off。

中，把文件名改为下拉选Showinteraction。

在）打开MSMartiniCIS.off文件，点击Interactions（2。

改变Fj到QaFk。

在空白框中，设置Fi和到Na以及AngleBend项中选择关闭力场文件10.8。

120TO为，KO为CosineHarmonicFunctionalForm为设置并保存。

选择或点击Mesocitetools|（3）选择Modules|MesociteCalculationCalculation;

的下拉选项中对话框，点击MesociteCalculationEnergy，在Forcefield打开MSMartiniCIS.offChooseForcefieldBrowse...选择，在对话框中选择。

.

精品文档CC类型珠子，选中所有的DPPC.xsd文件。

按下（ALT4）打开键，双击任意MesociteProparationMore...打开MesociteCalculation对话框中，点击类型珠子。

在Assign按钮。

对话框，选择C1，点击options分配力场，分配类型如下表所示：

PO、NC重复此步，为GL、

ChargeMSMartiniForcefieldTypeBeadTypeName0CC1

0GLNa

-1.0QaPO

1.0

Q0

NC

设，同样把NC中，设置Charge为-1Explorer选择PO珠子，在Properties

1。

置为Geometry为Setup，改变TaskCalculation（5）在Mesocite对话框中，点击按钮。

得到以下结构：

Optimization。

点击Run

，，下拉选项中点击Angel按钮（6）在工具栏中，选择Measure/Change。

此时会显示出两个接近同样选择右边的PO-GL-C依次点击左边的C-GL-PO,0。

为Angels230156.5Properties的角度，选在两个角度，在Explorer中，设置。

得到以下分子结构：

ALT按下键，双击角度，按下Delete

.

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（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

toolbar中的MesostructureTemplate，打开Build

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

toolbar对话MesostructureBuild，打开Mesostructure中的.

精品文档框。

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CreatebeadHeadsetfrom

selection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CreatebeadTailset

fromselection。

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：

.

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对话框，在保存类型下拉选项ExportFile|Export...，打开（4）在菜单栏中选择按钮，打开Options...（*.xsd），点击Studio3DAtomisticFiles中选择Materials

OK。

1对话框，设置Lengthscale为，点击MSD/MTDExportOptions：

选择当前工程的根目录下的I）改变文件名为bilayer.xsd，保存在（会出现一个。

此时在projectexplorerCG-bilayerFiles/Documents。

点击保存（S）bialyer.xsd的文件。

名为Window|CloseAll。

）在菜单栏中选择File|SaveProject，选择（55、体系优化及动力学过程。

，打开文件。

ProjectExplorer中，双击bilayer.xsd在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）分配力场：

（1荷。

分配类型如下表所示：

ChargeMSMartiniForcefieldTypeBeadTypeName

0CC1

0GLNa

-1.0POQa

1.0NCQ0

0

P4

W）第一次构型优化（2MesociteCalculation对话框；打开的下拉选项中选择Electrostaticsummationmethod中的在Energy点击按钮，Beadbased。

确保MesociteCalculation/Setup中的TaskGeometryOptimization；为i的ControlMesocite选中Calculation/Jop中Run]ofinparallelon[

还是动力学过程，调到最大值CPU把可用的processors，（此后在几何优化过程，CPU为了充分利用服务器，都调到最大值）。

.

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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；为按钮，设置Thermostat对话框中选择在MesociteDynamicsThermostatNose。

1600。

设置Qratio为Frame设置点击Dynamics按钮，为设置Timestep40fs，Dynamictime200ps，。

100stepsoutputevery为Restart；在MesociteCalculation对话框中，选中Run。

点击。

弹出警告对话框，点击YesWindow|CloseAll。

）选择（6File|SaveProject，选择Z、结果分析，以角度分布和沿轴浓度分布为例。

61（）角度分布：

.

精品文档bilayer.xtd文件；双击打开bilayerMesociteRestart文件夹下的①DPPC.xsd文件。

双击打开DPPCMesociteGeomOpt文件夹下的工具，选择下图所示两个角度。

选择下，用Measure/change在DPPC.xsdGL-PO-GL键角。

在菜单栏中选择Edit|FindPatterns，打开FindPatterns对话框。

②

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。

③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：

.

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（2）Z方向浓度分布

①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②Analysis；

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：

.

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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.

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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，Dynamictime

50ps）

13、改变参数设置，再次进行分子动力学模拟（timestep40fs，Dynamictime

200ps）

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

在.xtd轨迹文件editsets，选定516、种原子，对其浓度分布进行分析。

将两个角度分布导入EXCEL，将517、中原子浓度分布导入EXCEL，分别作图。

四、作业

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

（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Motion

groups，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Motion

groups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。

.

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）分配珠子，获得粗粒化珠子结构（2Typing.std，获得Beadbeadtyping中的creategrain点击Coarse对话框中的Coarsepatterns，从下拉框中选中该珠子类型文件；点击的珠子类型文件。

选择built文件。

获得粗粒化之后的珠子结构。

grain对话框下面的

，，该力场为软件自带力场，不需要修改参数）3）对珠子分配力场（MSMartini（类型，电荷为零，优化珠子构型，获得稳定结构。

两种珠子均属于C1Radius2.35，）构建水珠子，Mass72（4

中键的盒子，在Filtter（5）构建32*32*32，获得一built入一个名字，如solvent，点击个空的立方体盒子。

，键Add，点击（6）在对话框中点击FilttersWater入另外一个名字，如。

关闭对话框。

，填充盒子，选中优化后的粗7（）点击.

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粒化硅烷分子和水珠子，比例（Relativeamount）为1：

1；点击Packing，将Length

scale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。

.

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（10）分别显示水珠子和两种类型碳珠子的密度分布。

W

C2

C1

.