实验四介观动力学模拟27396.docx
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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'sequati)on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-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,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,t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:
(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。
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
中的
打开BuildMesostructure对话
Mesostructure
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|SaveProjec,t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:
①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。
②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。
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
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
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EXCE,L将5中原子浓度分布导入EXCE,L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。
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
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