《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、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Ret。
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。
（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 tools选择Calculation;
打开Mesocite Calculation对话框，点击Energy，在Forcefield的下拉选项中选择，在Choo 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 | MS Martini Forcefield Type | Charge |
C | C1 | 0 |
GL | Na | 0 |
PO | Qa | -1.0 |
NC | Q0 | 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：
（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 ，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Packing，设置Length scale (L)为1，Density为0.00836；
不选Randomize conformations。
在Packing中，点击按钮，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 t from lection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 t from lection。
关闭对话框。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 | ，打开Export对话框，在保存类型下拉选项中选择Materials Studio 3D Atomistic Files (*.xsd)，点击按钮，打开MSD/MTD Export Options对话框，设置Length scale为1，点击OK。
