实验四介观动力学模拟

1、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

2、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（Langevins 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

3、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、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

4、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

5、），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，

6、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。（2）点击Mesomolecule按钮，打开Build Mesomolecule对话框。

7、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l

8、abel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 E

9、xplorer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 tools选择Calculation;打开Mesocite Calculation对话框，点击Energy，

10、在Forcefield的下拉选项中选择Browse.，在Choose Forcefield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：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0选择PO珠子，在

11、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：（7）参照第二步，定义珠子

12、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

13、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 ，打开Build Mesostructure对话框。solvent filler 中的Mesoscale Molecule，选择solvent.xsd。lipid filler选择优化的DPPC.xsd。点击

14、Packing，设置Length scale (L)为1，Density为0.00836；不选Randomize conformations。在Packing中，点击More.按钮，打开Bead Packing Options对话框；双击打开已经优化过的DPPC.xsd。选择NC，点击Create bead Head set from 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Bead Packing Options对话框中，改变Bead tag为Tail，点击Create bead Tail set from selection。关闭对

15、话框。标记后的DPPC结构如下：（3）双击mesostructure template.msd。在Build Mesostructure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Materials Studio 3D Atomistic Files (*.xsd)，点击Options.按钮，打开MSD/MTD Export Options对话框，设置Length scale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-bilayer File

16、s/Documents。点击保存（S）。此时在project explorer会出现一个名为bialyer.xsd的文件。（5）在菜单栏中选择File | Save Project，选择Window | Close All。5、体系优化及动力学过程。在Project Explorer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：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40（2）第一次构型优化打开Mesoci

17、te Calculation对话框；点击Energy按钮，在summation method中的Electrostatic的下拉选项中选择Bead based。确保Mesocite Calculation/Setup中的Task为Geometry Optimization；选中Mesocite Calculation/Jop Control中的Run inparallel on of i processors，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Mesoc

18、ite Calculation对话框中选择Setup按钮；点击More.打开Mesocite Geometry Optimization对话框，选中Optimize cell；关闭Mesocite Geometry Optimization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Mesocite Dynamics对话框。设置Time step为20fs，Dynamic time 50ps，改变Ensemble为NPT。选择Thermostat按钮，设置Thermostat为Vel

19、ocity Scale。点击Barostat按钮，设置Barostat为Andersen。在Mesocite Calculation对话框中点击Run。（5）第二次动力学优化双击打开bilayer Mesocite Dynamics文件夹下的bilayer.xtd文件；在Mesocite Dynamics对话框中选择Thermostat按钮，设置Thermostat为Nose。设置Q ratio为1600。设置Time step为40fs，Dynamic time 200ps，点击Dynamics按钮，设置Frame output every为100steps。在Mesocite Calcul

20、ation对话框中，选中Restart；点击Run。弹出警告对话框，点击Yes。（6）选择File | Save Project，选择Window | Close All。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： 双击打开bilayer Mesocite Restart文件夹下的bilayer.xtd文件；双击打开DPPC Mesocite GeomOpt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。 在菜单栏中选择Edit | Find Patterns，打开Find Patte

21、rns对话框。定义优化过的DPPC.xsd文件作为Pattern document，并且确定键角GL-PO-GL仍然被选中。改变Match property为BeadTypeName。打开轨迹文件bilayer.xtd，点击Find。点击New Sets.按钮，打开Define New Set对话框，键入GL-PO-GL Angles，点击OK按钮。在bilayer.xtd文件中取消选定。同样定义sets为 C-PO-C Angles。 选择Modules | Mesocite | Analysis，或点击mesocite tools，选择Analysis；打开Mesocite Analysi

22、s对话框，在Analysis选项中选择Angle distribution；在Sets下选项中选择GL-PO-GL Angles，点击Analyze。同理，分析键角C-PO-C Angles。把数据拷贝到excel中，作图可得：（2）Z方向浓度分布 双击打开bilayer Mesocite Restart文件夹下的bilayer.xtd文件；选择Edit |Edit sets，打开Edit sets对话框，按下ALT键，双击任意W珠子，选中了所有的W珠子。在Edit sets对话框中，点击New，打开Define New Set对话框对话框，键入W，点击OK。同理，定义Sets NC、PO、G

23、L、C。 选择Modules | Mesocite | Analysis，或点击mesocite tools，选择Analysis；打开Mesocite Analysis对话框，在Analysis选项中选择Concentration profile；Sets选择W，选中Specified direction (hkl)，改为0 0 1；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. Tie

24、leman, A.H. de Vries., The 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2.352、 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、

25、 初步优化盒子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、 对角度分布进行分析16、 在.xtd轨迹文件edit sets，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