分子动力学模拟：从入门到精通

📚 共计 30 章节

分子动力学概述

什么是分子动力学？发展简史、核心思想、典型应用领域（材料、生物、化学）。

分子动力学基本原理

牛顿运动方程、势能面与力、时间积分算法（Verlet、Velocity-Verlet）。

力场的概念、常见力场类型（AMBER、CHARMM、OPLS、GROMOS）、力场参数化。

键合相互作用

键伸缩、键角弯曲、二面角扭转、improper 二面角、Urey-Bradley 项。

非键相互作用

Lennard-Jones 势、库仑相互作用、截断半径与邻域列表、Ewald 求和与 PME。

周期性边界条件

PBC 概念、最小镜像约定、盒子类型（立方体、截断八面体、菱形十二面体）。

微正则系综（NVE）、正则系综（NVT）、等温等压系综（NPT）、等焓等压系综（NPH）。

温度控制方法

速度标定法、Berendsen 热浴、Andersen 热浴、Nosé-Hoover 链热浴。

压力控制方法

Berendsen 压浴、Andersen 压浴、Parrinello-Rahman 方法、各向异性与各向同性。

初始结构构建

从实验数据（PDB、CIF）构建、使用 Packmol 构建、使用 Material Studio 构建。

能量最小化

最速下降法、共轭梯度法、L-BFGS 方法、最小化收敛判据。

平衡与预平衡

升温过程、密度平衡、消除不良接触、平衡判据（能量、温度、密度、RMSD）。

平衡预平衡

GROMACS 安装、基本工作流程、常用命令（gmx grompp、gmx mdrun、gmx energy）。

GROMACS 拓扑文件

拓扑结构、残基定义、力场选择、参数文件（.itp、.top）。

GROMACS 模拟参数文件（.mdp）

控制参数详解、集成步长、输出频率、约束算法（LINCS、SETTLE）。

LAMMPS 安装、输入脚本结构、基本命令（pair_style、fix、compute、dump）。

LAMMPS 势函数设置

pair_style 与 pair_coeff、混合势、嵌入原子势（EAM）、ReaxFF。

LAMMPS 高级功能

fix 命令详解（NVT、NPT、deform、rerun）、compute 命令、自定义输出。

NAMD 安装、配置文件结构、与 VMD 的配合使用、并行计算。

轨迹分析基础

RMSD 计算、均方根涨落（RMSF）、回转半径（Rg）、径向分布函数（RDF）。

高级轨迹分析

氢键分析、溶剂可及表面积（SASA）、主成分分析（PCA）、自由能形貌。

自由能计算基础

热力学积分（TI）、自由能微扰（FEP）、伞形采样（Umbrella Sampling）。

伞形采样与 WHAM

伞形采样原理、窗口设置、WHAM 方法、生成平均力势（PMF）。

增强采样方法

元动力学（Metadynamics）、副本交换分子动力学（REMD）、加速分子动力学（aMD）。

增强采样MetaD

QM/MM 原理、边界处理、常见软件（CP2K、Gaussian + GROMACS）。

粗粒化模拟

粗粒化原理、MARTINI 力场、粗粒化模型构建、反向映射。

粗粒化MARTINI

并行计算与 GPU 加速

MPI 并行、OpenMP 并行、GPU 加速原理、性能优化技巧。

模拟常见问题与调试

能量爆炸、原子飞走、温度失控、压力不稳定、约束失效。

结果可视化

VMD 使用入门、PyMOL 使用入门、轨迹渲染、高质量图片与视频制作。

综合案例实战

蛋白质-配体模拟全流程、聚合物拉伸模拟、纳米材料自组装模拟。