实验四：介观动力学模拟 - 27396 - 图文

《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(dissipative particle 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’s equation）来描述体系演化的动力学。 （1）MS-Mesocite简介

MS Mesocite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。MS Mesocite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。MS Mesocite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MS Martini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MS Mesocite的力场进行编辑，以获得满足特殊要求的力场，从而拓展了MS Mesocite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created new project，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Mesostructure toolbar

，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Bead Types按钮

，打开Bead Types 对话框。

点击Properties…按钮，打开 Bead Type Properties 对话框，点击Defaults…按钮，设置Mass为72，Radius为2.35，关闭Bead Type Defaults和Bead Type Properties对话框。

在Bead Types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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（2）点击Mesomolecule按钮，打开Build Mesomolecule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Randomize order within repeat unit，点击Build按钮。

在Mesomolecule.xsd文件中左击PO珠子，删除Build Mesomolecule对话框中所有的珠子。

选中Add to branch points，点击more…按钮，打开Mesomolecule Branches对话框。设置Number of branches to attach为1，关闭对话框。

在Build Mesomolecule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Build Mesomolecule对话框。在Project Explorer，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 - Forcefield Manager或点击Mesocite tools

，选择

Forcefield Manage，选择MS Martini，点击>>，打开力场文件。在Project Explorer中，把文件名改为MSMartiniCIS.off。

（2）打开MSMartiniCIS.off文件，点击Interactions。在Show interaction下拉选项中选择Angle Bend。在空白框中，设置Fi 和Fk 到Na 以及 Fj 到Qa。改变 Functional Form 为Cosine Harmonic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Mesocite toolsCalculation;

打开Mesocite Calculation对话框，点击Energy，在Forcefield的下拉选项中选择Browse...，在Choose Forcefield对话框中选择MSMartiniCIS.off。

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选择

（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Mesocite Calculation对话框中，点击More...打开Mesocite Proparation options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 C GL PO NC

MS Martini Forcefield Type C1 Na Qa Q0

Charge 0 0 -1.0 1.0

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

（5）在Mesocite Calculation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156.50的角度，选在两个角度，在Properties Explorer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：

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（7）参照第二步，定义珠子W，用Build Mesomolecule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 | Build Mesostructure | Mesostructure Template或点击Mesostructure toolbar

中的Mesostructure Template

，打开Build

Mesostructure Template对话框。

改变X、YExtents为64，Z Extent为100。在Filler中，键入solvent。点击Build按钮。

在Build Mesostructure Template对话框中，改变Former type为Slab。改变Depth为44.15，Orientation为Along Z。

选中Enable surface packing;

在Filler中键入lipid。点击Add，关闭对话框。

（2）选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure或点击Mesostructure toolbar

中的Mesostructure

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，打开Build Mesostructure对话

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. de Vries., \MARTINI forcefield: coarse grained model for biomolecular simulations.\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optimized cell 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（time step 20fs，Dynamic time

50ps） 13、

改变参数设置，再次进行分子动力学模拟（time step 40fs，Dynamic time

200ps） 14、

在DPPC分子中选中GL-PO-GL以及C-PO-C两个角度，选定find pattern，

在.xtd轨迹文件中find所有的角度 15、 16、 17、

对角度分布进行分析

在.xtd轨迹文件edit sets，选定5种原子，对其浓度分布进行分析。 将两个角度分布导入EXCEL，将5中原子浓度分布导入EXCEL，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Coarse grain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Motion groups对话框。

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（2）分配珠子，获得粗粒化珠子结构

点击Coarse grain对话框中的bead typing中的create，获得Bead Typing.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Coarse grain对话框下面的built文件。获得粗粒化之后的珠子结构。

（3）对珠子分配力场（MS Martini，该力场为软件自带力场，不需要修改参数），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，Mass 72，Radius 2.35 （5）构建32*32*32的盒子，在Filtter中键入一个名字，如solvent，点击built，获得一个空的立方体盒子。

（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

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粒化硅烷分子和水珠子，比例（Relative amount）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（MS Martini），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（display style）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

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/am6r.html