分子模擬(第二版)（簡體書）

《分子模擬》(第二版)第一篇為分子模擬原理，在介紹分子模擬的物理和化學原理，如統計力學、力場、能量最小化和量子化學等內容的基礎上，介紹了一些模擬基本方法，如Monte Carlo 模擬、分子動力學模擬、介觀模擬、定量結構性質關係等。第二篇為分子模擬實驗，以具體實例介紹了分子模型的創建與優化、分子性質的計算和分析、勢能面的構建、化學反應模擬、分子光譜計算、均相體系和多相體系的分子動力學模擬、固體材料表面吸附行為的Monte Carlo 模擬、粗粒化及介觀模擬、定量構效關係預測等內容。為了提高讀者的操作能力，本書附有一些計算實例和運行腳本，讀者可掃二維碼學習。附錄為Materials Studio、Gromacs 的簡明操作手冊，Orgin 自定義函數擬合及構建三維勢能面、能量折線圖的方法等內容,讀者掃描二維碼可查看。
《分子模擬》(第二版)可作為化學、化工、材料、生命科學、醫藥等專業高年級本科生和研究生的教材，也可供相關領域的科研工作者參考使用。

苑世領，山東大學化學化工學院，教授、博導，自1999年開始，為化學院本科生講授《物理化學》，並從2005年為研究生開設《分子模擬及其應用》課程。自2000年以來從事分子模擬計算工作，先後承擔五個國家自然科學基金項目及多個油田橫向項目，發表SCI論文一百余篇。

夯實分子模擬理論基礎
直擊研究案例，開拓研究領域和研究方法

前言
《分子模擬》一書出版後，來自同行的建議和鼓舞激勵我們在2020年末著手修訂工作，希望彌補第一版的諸多遺憾。第一版中缺少分子動力學和Monte Carlo模擬的應用實例，特別是未涉足必要的後續分析方法，而且只針對Materials Studio軟件的操作，這些可能會降低讀者使用本書學習分子模擬的熱情。可以說《分子模擬》第一版更像是入門級的學習參考書。
在第二版中我們做了如下的改動：
原理部分：第1章緒論中模擬資源部分更新了軟件和數據庫列表，增加了分子模擬學習一節。第3章力場中增加了針對無機材料的力場（如CLAYFF力場和INTERFACE力場）、極化力場和反應力場（如ReaxFF）的介紹。第4章能量最小化中增加了應用案例，包括分子力學方法優化單層膜、量子力學方法優化反應機理，以及分子力學/量子力學（MM/QM）方法模擬酶反應。第6章Monte Carlo模擬中增加了4個應用案例，涉及有機小分子的吸附、沉積等內容。第7章分子動力學模擬中，增加了對自由能、均力勢的討論，增加了5個典型的分子動力學模擬應用案例，包括自組裝膜的潤濕性、稠油乳化等內容；特別需要強調的是，在本章中增加了10個後續分析方法，包括徑向分布函數、空間分布函數、氫鍵、水-水角、可視化弱相互作用等，並詳細敘述了這些分析方法在Gromacs程序中的運行步驟，供讀者操作運行，而且部分分析方法附有腳本方便讀者編輯，這些內容會大大提高讀者學習分子動力學模擬的興趣。第8章介觀模擬中，增加了4個應用案例，更容易讓讀者明白DPD和MesoDyn兩種方法的應用環境。本版新增加了第9章定量結構性質關係，描述藥物設計、材料設計中經常用到的構效關係方法原理，以及該方法在不同領域中的應用案例，如藥物設計中的3D-QSAR，材料性質中的QSPR等。
實驗部分：第11章分子模型的創建與優化，增加了單層自組裝膜的構建與優化。第13章勢能面的計算中，計算程序從Gaussian調整為DMol3，內容也進行了優化。第16、17章分子動力學模擬中，增加了6個典型的上機實驗，包括單分子、均相體系和非均相體系，大大豐富了Materials Studio程序的應用範圍，對讀者使用分子動力學研究溶液、界面等的聚集行為有很好的指導作用。第19章粗粒化及介觀模擬中，修改了DPD模擬方法的操作，增加了約束條件下MesoDyn程序的應用案例，可為聚合物模板下的聚集行為提供模擬思路。本版增加了第20章定量構效關係預測苯並咪唑類緩蝕劑的性質，重點敘述了抗腐蝕材料的設計篩選過程，詳細提供了操作步驟。上述模擬計算案例使用的是Materials Studio程序，可方便讀者實際操作軟件學習（特別是學生自學）。第21章聚集體系的分子動力學模擬，選擇Gromacs程序，涉及熱力學函數構型熵的計算、表面活性劑膠束增溶，以及電場下的乳化油滴三個應用案例，擴展了當前分子動力學模擬在不同領域的應用（包括非平衡分子動力學模擬），操作步驟詳細，並附部分運行腳本。第22章二氧化硅表面反應力場分子動力學模擬中，選擇LAMMPS程序，列舉了目前流行的反應力場的應用案例，為相關領域應用提供了研究思路。上述兩章內容參考了已出版文獻，是分子動力學模擬的科研應用，是專業級的學習案例。
結合分子模擬基本原理的發展歷史，以及精選的分子模擬實驗內容，將與分子模擬相關的逸聞趣事融入其中，講述中國學者在分子模擬發展中的貢獻，將相應的思政元素融入原理、實驗、思考題等內容中，也是本次修訂的特點之一。
除了主要增補的上述內容以外，書中也糾正了第一版中的個別疏漏。在第二版中，我們的總體思路是要告訴讀者分子模擬能夠幹什麼（增加應用案例）、怎麼幹（具體的操作步驟），特別是一定要降低軟件使用操作門檻（附部分運行腳本），短時間內告訴讀者軟件可能的使用範圍（增加後續分析方法）。是否能達到此目的，還需讀者檢驗。
《分子模擬》出版以來多次重印，發行量超預期，這是對我們前期工作的肯定和鼓勵，也是編寫《分子模擬》第二版的動力，當然也從一個側面反映了分子模擬技術向更廣研究領域擴展的事實。分子模擬是一種技術方法，目前在材料學、生命科學、化學、藥學等學科領域擴展迅速，很多非分子模擬專業學者也逐漸對此領域興趣盎然。很多大型企業、高校科研單位都有從事此方面研究工作的人員，希望本書能夠在快速發展的分子模擬研究過程中起到積極的推進作用。
特別感謝修訂過程中已經或即將畢業的學生們：劉剛、延輝、劉國魁、劉沙沙、李鼎、苑士登、王雪玉、張恒銘、張震宇等，他們有的編輯了分子動力學模擬後續分析的運行腳本和程序，有的具體實際操作了實驗案例，對實驗操作步驟及案例可能的運行時間都給出了建議並做了認真的確認，為《分子模擬》第二版的出版做出了貢獻。
感謝山東大學研究生院和本科生院。自《分子模擬》出版以來，山東大學多個職能部門在教研項目等方面給予支持，並積極推薦參與教育部或山東省教研項目申報。感謝化學與化工學院對《分子模擬》出版的大力支持。以該書為主的分子模擬課程，先後獲得或被評為山東省教學成果二等獎（2018年）、國家級線下一流本科課程（2020年）、山東省高等教育優秀教材（2021年）、山東省課程思政示範課程（2021年）及山東省研究生教育優質課程（2020年、2021年）、山東省本科教學改革研究項目（2022年）等。
感謝化學工業出版社的編輯，他們的支持促成了第二版的出版。
由於編者知識所限，盡管我們試圖從更寬視野介紹分子模擬的應用，但書中選擇的應用案例和實驗操作案例多數還是來自編者的科研方向，因此仍有一定的局限性，不過我們仍然希望這些案例能夠給予讀者科研啟發。書中編輯的實驗過程等受軟硬件限制，在模擬中不可避免會出現模型構建、模擬時間等方面的不匹配，希望讀者給予指正。
書中部分分子模擬案例操作及後續分析運行腳本等，已於課程網站上公布，供讀者參考。另有一些模擬實例和運行腳本以二維碼呈現，讀者可掃碼查看。

苑世領
2022年5月




第一版前言
分子模擬經過幾十年的發展，不論在基礎理論還是在應用方面，都取得了巨大成就。目前分子模擬在化學、材料學、生命科學等領域引起了理論和實驗工作者的廣泛關注。山東大學理論化學研究所自2003年為碩士、博士研究生講授分子模擬基本理論，2015年又增加了上機實驗操作內容，授課物件也擴至本科生。我們的課程講義前後使用十余年，歷經多次內容更新。其中早年講義中的部分章節得到了山東大學蔡政亭教授的逐字斟酌潤色，這為此書出版打下了基礎。本書是在山東大學理論化學研究所多位老師多年授課所使用講義的基礎上整理而成的。
本書分基礎理論和實驗兩部分，其中基礎理論部分為教師和研究生、本科生學習和參考用書，實驗部分可供學生上機實習使用。理論部分包括9章內容：第1章簡單說明分子模擬的發展歷史及其相關概念；第2章為分子模擬中的統計力學基礎；第3章主要包括各個力場的組成形式和應用範圍；第4章討論了能量最小化方法；第5章是本書的重點，主要闡述分子動力學和Monte Carlo方法中作用力和勢函數的處理方法；第6章和第7章分別講述了Monte Carlo 和分子動力學方法的原理及在不同系綜中的應用；第8章列舉了現在流行的兩種介觀模擬方法；前八章重點闡述的是分子力學部分。第9章簡單介紹了量子力學的基本概念，此部分內容主要參考了山東大學馮大誠教授編寫的量子化學講義。實驗部分包括9個典型的計算化學實驗，對化學中的熱點科學問題進行計算模擬，涵蓋了無機、有機、分析、高分子等多個學科領域，可作為基礎理論學習後的實踐練習；採用的方法包含了當前應用廣泛的電子相關理論、密度泛函理論、分子力學、分子動力學、Monte Carlo和介觀模擬等；每個實驗後均有相應的習題，供學生練習和鞏固知識。實驗部分為研究生和本科生的重點學習內容。
雖然在編寫過程中花費了不少精力，但是由於筆者知識和能力所限，主要素材期刊文獻來源較多，需要分析、歸納和統一，因此疏漏之處不可避免，敬請讀者批評指正。編著者科研方向為膠體化學中的分子模擬，因此書中的案例（相關文獻）多來自於膠體化學及相關雜志，視野略顯狹窄，但是希望以此為例對其他相關專業有借鑒作用。誠請讀者多提寶貴意見。


編著者
2016年5月

第一篇分子模擬原理/1
第1章緒論2
1.1分子模擬基本概念2
1.1.1坐標系4
1.1.2分子圖形5
1.1.3分子表面6
1.1.4原子模型和粗粒模型6
1.1.5模擬方法7
1.2分子模擬發展史9
1.2.1早期的剛性球勢和Lennard-Jones勢9
1.2.2小的非極性分子9
1.2.3極性分子和離子10
1.2.4鏈分子和聚合物10
1.2.5分子模擬中的系綜10
1.2.6多體相互作用10
1.2.7非平衡分子動力學模擬11
1.3分子模擬軟件和資源11
1.4分子模擬學習方法17
參考文獻19

第2章統計力學基礎21
2.1統計力學基本原理21
2.1.1系綜21
2.1.2熱力學平均22
2.1.3其他漲落熱力學性質23
2.1.4輸運系數26
2.2粒子動力學26
2.2.1非約束粒子的運動26
2.2.2受約束粒子的運動27
2.2.3位力定理31
參考文獻31

第3章力場32
3.1勢函數33
3.2簡正模式34
3.2.1特徵運動34
3.2.2分子光譜35
3.2.3光譜與力常數35
3.3簡單體系的分子力場36
3.4勢能函數的具體形式37
3.4.1鍵伸縮勢38
3.4.2鍵角彎曲勢39
3.4.3二面角扭轉勢40
3.4.4離平面的彎曲勢42
3.4.5交叉項43
3.4.6van der Waals勢44
3.4.7靜電相互作用45
3.4.8氫鍵勢46
3.5常見的力場47
3.5.1OPLS力場47
3.5.2ECEPP/3力場48
3.5.3AMBER力場48
3.5.4CHARMM力場48
3.5.5MM3力場49
3.5.6CFF力場50
3.5.7通用力場51
3.5.8COMPASS力場51
3.6聯合原子和約化處理52
3.7粗粒力場53
3.7.1MARTINI力場53
3.7.2從全原子到粗粒模型55
3.8多體勢56
3.9水分子力場57
3.9.1簡單水分子模型57
3.9.2可極化水分子模型59
3.10無機材料力場59
3.10.1CLAYFF力場59
3.10.2INTERFACE力場60
3.11極化力場60
3.12反應力場62
3.13選擇力場65
3.13.1力場的命名66
3.13.2力場的發展趨勢66
3.13.3如何選擇力場67
參考文獻68
附表力場簡介71

第4章能量最小化74
4.1勢能面74
4.2勢函數的極小值75
4.3非導數求極值法77
4.3.1單純形法77
4.3.2按序單坐標逼近法78
4.4導數求極值法79
4.5一級導數求極值法80
4.5.1最速下降法80
4.5.2共軛梯度法83
4.6二級導數求極值法85
4.6.1牛頓-拉森法85
4.6.2準牛頓-拉森法86
4.6.3沿對角線分塊牛頓-拉森法87
4.7能量最小化方法的選擇和收斂性判據87
4.8過渡態結構與反應路徑88
4.8.1鞍點和二次區域89
4.8.2搜尋鞍點90
4.8.3反應路徑91
4.9溶劑化效應92
4.10應用實例93
4.10.1硅表面上烷烴自組裝膜93
4.10.2AOT分子的結構性質95
4.10.3催化反應中的QM/MM方法96
4.10.4化學反應機理99
參考文獻102

第5章模擬中的基本原理104
5.1短程相互作用105
5.1.1相互作用力105
5.1.2周期邊界條件 105
5.1.3非周期邊界方法106
5.1.4最近鏡像方法107
5.1.5近鄰列表108
5.1.6連鎖格子方法109
5.1.7後續處理問題110
5.2長程相互作用113
5.2.1Ewald求和法113
5.2.2反應場方法116
5.2.3PPPM方法118
5.2.4樹狀方法119
5.3模擬過程121
5.3.1選擇初始構型122
5.3.2判斷平衡123
5.3.3模擬結果和偏差分析125
參考文獻126

第6章Monte Carlo 模擬128
6.1Monte Carlo模擬中的配分函數128
6.2Monte Carlo原理130
6.2.1函數積分130
6.2.2Metropolis取樣和Markov鏈131
6.3基本Monte Carlo模擬133
6.3.1算法134
6.3.2平動134
6.3.3取向運動135
6.4不同系綜中的Monte Carlo模擬140
6.4.1正則系綜140
6.4.2等溫等壓系綜141
6.4.3巨正則系綜143
6.4.4微正則系綜143
6.5應用實例145
6.5.1蛋白質與弱聚電解質相互作用145
6.5.2云母表面吸附水分子146
6.5.3冰表面氯代甲烷的吸附148
6.5.4有機分子的模板誘導沉積149
參考文獻152

第7章分子動力學模擬153
7.1積分運動等式153
7.2Verlet預測方法154
7.2.1Verlet算法154
7.2.2蛙跳Verlet算法155
7.2.3速度Verlet算法155
7.2.4Beeman算法156
7.3Gear預測校正方法156
7.3.1基本的Gear算法156
7.3.2Gear算法的改進方法157
7.4分子體系中的積分方法157
7.4.1小分子158
7.4.2大分子158
7.5不同系綜中的分子動力學163
7.5.1微正則系綜163
7.5.2正則系綜164
7.5.3恒壓恒焓系綜168
7.5.4等壓等溫系綜170
7.5.5巨正則系綜171
7.6相關函數173
7.6.1時間相關函數173
7.6.2空間相關函數176
7.6.3輸運性質176
7.7自由能178
7.7.1熱力學微擾法178
7.7.2熱力學積分法179
7.7.3緩慢生長法179
7.7.4計算實例180
7.8均力勢181
7.8.1傘式抽樣181
7.8.2應用實例182
7.9性質分析183
7.9.1熱力學性質183
7.9.2徑向分布函數184
7.9.3空間分布函數185
7.9.4擴散系數185
7.9.5氫鍵185
7.9.6弛豫時間186
7.9.7表面張力187
7.9.8水-水角188
7.9.9弱相互作用188
7.9.10均力勢（傘式抽樣）189
7.10應用實例190
7.10.1硅表面上自組裝膜的潤濕性190
7.10.2表面活性劑膠束化過程中的熵驅動191
7.10.3親油固體表面的潤濕翻轉193
7.10.4納米孔道中聚合物的運移（非平衡分子動力學模擬）196
7.10.5單晶硅表面的氧化反應（反應力場分子動力學模擬）198
參考文獻200

第8章介觀模擬203
8.1耗散粒子動力學模擬203
8.1.1基本原理203
8.1.2步幅和噪聲選擇206
8.1.3排斥參數選擇207
8.1.4Flory-Huggins參數選擇208
8.1.5應用實例209
8.2介觀動力學模擬212
8.2.1熱力學部分213
8.2.2動力學部分215
8.2.3參數部分216
8.2.4應用實例217
參考文獻219

第9章定量結構性質關係221
9.1定量構效關係221
9.2典型結構參數222
9.2.1辛醇-水分配系數222
9.2.2Hammett取代基常數223
9.2.3量子化學參數224
9.2.4分子拓撲指數224
9.2.5其他結構參數225
9.3數學方法226
9.3.1回歸分析227
9.3.2多元統計分析231
9.3.3人工神經網絡方法234
9.4應用實例237
9.4.1抗真菌藥物的分子設計237
9.4.2分子對接與3D-QSAR238
9.4.3預測CO2與原油的最小混相壓力240
參考文獻242

第10章量子化學244
10.1Schrdinger方程244
10.1.1Born-Oppenheimer近似245
10.1.2單電子近似246
10.1.3原子軌道線性組合近似247
10.1.4Roothaan方程247
10.2電子相關和後HF方法248
10.2.1組態相互作用249
10.2.2多體微擾方法250
10.3密度泛函理論251
10.4基函數（基組）的選擇253
10.4.1LCAO254
10.4.2STO（Slater type orbital）254
10.4.3雙ζ及三ζ基254
10.4.4GTO（Gaussian type orbital）255
10.4.5簡縮的Gaussian基組255
10.4.6分裂價基256
10.5半經驗分子軌道方法256
10.5.1全略微分重疊方法（CNDO）257
10.5.2間略微分重疊方法（INDO）257
10.5.3忽略雙原子微分重疊方法（NDDO）257
參考文獻258

第二篇分子模擬實驗/259
第11章分子模型的創建與優化260
11.1分子模型的繪製260
11.2分子構型優化262
11.3複雜分子結構的創建264
11.3.1聚合物模型的構建265
11.3.2晶體結構的構建267
11.4自組裝單層膜的構建與優化269
思考題271

第12章分子性質的計算和分析273
12.1分子軌道等值面圖273
12.2總電子密度圖276
12.3靜電勢圖276
12.4電荷分布圖278
12.5分子表面279
思考題280

第13章勢能面的構建281
13.1鍵解離勢能曲線的掃描282
13.2分子間相互作用勢能曲線的掃描286
13.3分子的構象搜索288
13.4化學反應的勢能曲線291
思考題293

第14章化學反應模擬296
14.1計算化學反應的自由能296
14.2優化搜索過渡態300
思考題304

第15章分子光譜計算306
15.1紅外和拉曼光譜306
15.2紫外可見光譜310
15.3X射線衍射光譜315
思考題318

第16章均相體系的分子動力學模擬319
16.1分子及團簇——丙氨酸二肽體系320
16.2均相體系——液態水325
思考題331

第17章多相體系的分子動力學模擬333
17.1氣液界面——水/氣體系333
17.2固液界面——石墨烯表面水層336
17.3固液界面——自組裝單層膜表面水層339
17.4固氣界面——金屬表面的自組裝膜341
思考題342

第18章固體材料表面吸附行為的Monte Carlo模擬345
18.1吸附等溫線345
18.2吸附構型349
18.3吸附動力學350
思考題352

第19章粗粒化及介觀模擬353
19.1生物膜的粗粒化模擬353
19.2DPD方法模擬表面活性劑在溶液中的聚集行為361
19.3MesoDyn方法模擬嵌段共聚物的相行為366
19.4MesoDyn方法模擬受限狀態下的聚集結構368
思考題370

第20章定量構效關係預測苯並咪唑類緩蝕劑的性質372
思考題377

第21章聚集體系的分子動力學模擬378
21.1表面活性劑分子的構型熵378
21.2膠束增溶383
21.3電場下的乳化油滴390
思考題396
參考文獻397

第22章二氧化硅表面反應力場分子動力學模擬398
思考題403
參考文獻403

附錄404
附錄ⅠMaterials Studio軟件簡介404
附錄ⅡGromacs軟件簡介404
附錄ⅢOrigin自定義函數擬合及構建三維勢能面、能量折線圖的方法404

第一版後記405