分子動力學（英語：Molecular 動力學，簡稱MD）是一門結合物理、數學和化學的綜合技術。它是一種基于牛頓運動定律的計算方法，其通過計算機仿真不斷迭代模擬大量原子或分子在不同時刻下的運動軌跡和相互作用過程，并通過抽取樣本計算體系的構型積分，以構型積分的結果為基礎進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質。
20世紀50年代早期，分子動力學首次被提出。1953年費米使用洛斯阿拉莫斯國家實驗室的MANIAC-I來求解多體系統受幾種力定律的隨時間演化的運動方程。1957年，奧爾德（Alder）和溫萊特（Wainwright）使用IBM 704計算機模擬剛球之間的完美彈性碰撞，開創了用分子動力學模擬方法研究物質宏觀性質的先例。此后，恒壓、恒溫分子動力學方法等相繼被提出，分子動力學方法被擴展到了存在速度梯度的非平衡系統。在20世紀70年代后期，分子動力學被應用到了蛋白質的模擬中。
分子動力學模擬方法在化學物理學、生物物理學、材料科學等許多科學領域應用廣泛。在生物科學研究中，分子動力學模擬方法可以用于研究結構生物學、計算機輔助藥物發現、納米技術、毒理學等。在化學動力學研究中，分子動力學模擬方法可用于模擬和解釋化學反應的反應路徑和動態轉化過程等。分子動力學模擬方法能夠分析分子材料的靜態及動態特征，能夠模擬與實踐相關的變量，適用于研究有機材料、無機化合物非金屬材料以及金屬材料等各類材料。
簡史
最早的分子動力學模擬方法在1957年就已實現。1957年，奧爾德（Alder）和溫萊特（Wainwright）首先在硬球模型下采用分子動力學模擬方法研究氣體和液體的狀態方程，開創了用分子動力學模擬方法研究物質宏觀性質的先例。1959年，他們提出可以把分子動力學模擬方法推廣到更復雜的具有方阱勢的分子體系，模擬研究分子體系的結構和性質。1971年，拉赫曼（Rahman）和斯蒂林格（Stillinger）首次基于計算機模擬研究了具有分子團簇行為的水的性質。1972年，該方法先后被推廣到了有速度和溫度梯度的非平衡體系。1977年，分子動力學模擬方法第一次成功模擬了生物大分子體系，即牛胰蛋白酶抑制劑的折疊，并提出了約束動力學方法（Rychaert等）。
在勢函數的研究上，1964年，拉赫曼（Rahman）模擬研究了具有Lennard-Jones勢函數的864個氬[yà]（Ar）原子體系，得到了與狀態方程有關的性質、徑向分布函數、速度自相關函數、均方位移等。此后，分子模擬工作者廣泛模擬研究了具有不同勢函數參數的Lennard-Jones模型分子體系，得到了體系的結構及其各種熱力學性質，探討了Lennard-Jones勢函數參數對體系結構與性質的影響，建立了Lennard-Jones勢函數參數與模型分子體系結構及性質之間的關系。而針對勢函數模型化比較困難的半導體和金屬等，1985年，卡爾（Car）和帕里內洛（Parrinello）提出了將密度泛函理論與分子動力學有機結合的第一性原理分子動力學方法。1991年，卡然（Cagin）和佩蒂特（Pettitt）進一步提出了適用于處理吸附問題的巨正則系綜分子動力學方法。
在體系溫度的調控上，分子動力學模擬中最簡單的方法是變標度恒溫法，當體系的溫度，即總動能偏離設定值時，體系中所有原子或分子的速度被乘以稱為標度因子的系數，使體系的總動能回歸設定動能。1980年，安德森（Andersen）提出了熱浴法，在模擬過程中讓體系中的一個或若干個原子或分子與恒溫熱源中的分子發生隨機碰撞，達到調整體系總體溫度并使之保持恒定的目的。但是，由這樣的方法模擬得到的相軌跡不連續，不符合實際情況。1984年，貝倫德森（Berendsen）改進了變標度恒溫法，使溫度逐漸被調節到設定溫度，減小了溫度的波動幅度。上述溫度調控算法粗糙，沒有嚴格的理論基礎。恒溫擴展法具有嚴格理論基礎，通過在模擬體系廣義坐標和廣義動量外引入額外的自由度與熱浴耦合的方法，達到調控溫度的目的。理論上，恒溫擴展法可以通過改變或擴展實際模擬體系的哈密頓函數或拉格朗日函數實現，如1984年，尼澤（Nosé）提出的恒溫擴展法及1985年，經胡佛（Hoover）修正的尼澤-胡佛（Nosé-Hoover）恒溫算法。
簡介
分子動力學模擬方法是在牛頓力學的基礎上，將計算機模擬技術與統計力學相結合，描述大分子體系中分子和原子運動及相互作用的方法。描述粒子間相互作用的勢函數、模擬體系的系綜、動力學方程的求解方法直接影響體系中粒子的運動狀態，從而對分子動力學模擬的精確性有重要影響。在分子動力學計算中，先依據各個粒子所處來計算系統的勢能，再根據牛頓運動定律來計算每個粒子所受的力以及加速度，然后再計算體系經過很短時間后各粒子達到的新的位置及速度，重復以上步驟，由新的位置計算系統的勢能，計算新的受力及加速度，如此反復循環，可得到系統中各時間下粒子運動的位置、 受力、速度以及加速度等等。根據上述粒子坐標、粒子速度等微觀信息，通過統計物理規律，得出如溫度、壓力、勢能等宏觀物理性能。
分子動力學模擬方法在材料科學、生物物理學、化學物理學等許多科學領域得到了廣泛應用。在材料科學的研究上，分子動力學模擬方法可以模擬微納米尺寸材料變形過程，獲得彈性模量、屈服強度等力學性能，以及材料原子結構動態演化，從而揭示力學性能與微觀結構之間的內在關系，為材料微納米尺度力學性能研究提供了一種新方法。分子動力學模擬方法也廣泛應用在生物大分子體系的結構與功能研究中，比如蛋白質折疊、藥物設計、蛋白質結構預測、蛋白蛋白相互作用、蛋白質聚集以及生物大分子配位化合物的動力學過程。
基本步驟
分子動力學模擬方法可以分為三個主要步驟：構建幾何模型、分子動力學核心計算及結果的輸出。
構建幾何模型
進行分子動力學模擬計算，首先要進行幾何模型的建構，給出初始結構的坐標值， 這與ansys的幾何建構相似，不同的是ANSYS等宏觀計算時考慮的是幾何圖形的構造，而分子動力學模擬方法計算的是離散系統，需要考慮晶體的相關性質。對于均勻相的固體材料，通常可以選定其晶體結構為初始位置；而對于聚合物以及大分子蛋白質等復雜系統的初始結構則最好是依據核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic 共振，簡稱NMR）實驗結果獲取其結構的圖像進行確定。
分子動力學核心計算
構建幾何模型之后，就可以利用分子動力學模擬方法進行計算。分子動力學模擬方法的核心計算過程是從系統的勢能出發，給定初始速度，通過勢能計算出力及加速度，利用數值計算， 推演出粒子隨著時間變化的運動軌跡。
初始化
此前建立的結構的模型，即是對模型位置的初始化。模型的運動需要給定初速度進行驅動，初速度的給定直接影響著模型的熱平衡。初速度的選取，一般在(?1,1)區間內選取符合正態分布的一個隨機數，再乘以粒 子的平均速度，即
從而得到了符合詹姆斯·麥克斯韋玻爾茲曼分布（Maxwell-Boltzmann 廣義函數）的粒子速度，即
其中，代表粒子速度為時的動量，是玻爾茲曼常數，是系統的熱力學溫度，是粒子的質量。為了消除系統的剛體運動，在模擬計算之前使各個方向的總動量為0。
體系預平衡
模擬體系初始結構如果有重疊等不合理現象會導致模擬失敗，可以先通過能量最小化的方法來減小體系內部不合理的力來加快體系的平衡，之后便通過預平衡模擬的方式來使體系逐漸達到平衡狀態。
預平衡階段常見的思路是先在NVT系綜下限制溶質對溶劑進行平衡，同時把溫度提升并穩定在模擬需要的溫度，之后是在NPT系綜下進行壓力（密度） 平衡。NPT系綜最接近真實生理條件，所以該系綜經常用于模擬生理條件下生物分子之間的相互作用。
運動求解過程
根據分子動力學模擬方法的基本原理，利用分子動力學模擬方法研究材料的宏觀性能，需對體系中粒子的運動進行精確追蹤。由于真實體系較為復雜，難以通過分子動力學模擬方法對真實的物理過程進行完全呈現。為了使計算資源利用率最大化，需對模擬體系進行近似處理，忽略粒子間的量子效應，體系內粒子的運動滿足牛頓運動定律，粒子間的相互作用滿足疊加原理。分子動力學模擬體系中粒子的運動方程為：
式中，為粒子的質量；為粒子受到的外載荷。給粒子賦予初速度，通過有限差分法求解上述線性微分方程，可得出任意時刻的粒子加速度、粒子速度、粒子坐標等微觀物理信息。有限差分法是將時間離散為步長為的若干時間段，由時刻的物理量及偏導數求出時刻的物理量，并逐漸擴展至整個時間范圍。常見的有限差分算法有Verlet算法、蛙跳（Leap-frog）算法、速度Verlet（Velocity-Verlet）算法、Gear算法、Tucterman和Berne多時間步長算法等。
Verlet方法
在分子動力計算中必須計算粒子的速度與位置。在分子動力計算中，Verlet方法是有限差分算法中較為常用的方法之一。該方法于1967年由Verlet提出，通過將粒子的位置以J.H.泰勒式展開，即：
將式中的變換為，得：
將前面兩式相加，得：
將牛頓運動定律方程式對時間積分，可預測原子經過時間后的速度與位置式，將其與粒子的位置的J.H.泰勒展開式相減得到速度式，即：
此式表示，時間時的速度可由及的位置得到。Verlet式的缺點在于該式中含有項，由于實際計算中通常選取很小的值，容易導致誤差。
Velocity-Verlet算法
Verlet算法簡單，存儲要求適度，但無法同時獲得粒子坐標和粒子速度，已知粒子的初始運動信息是不夠的，還需獲得時刻的粒子坐標才能對運動方程進行求解。在Velocity-Verlet算法中，同一體系的粒子的坐標、速度、加速度都是通過同一時刻體系的狀態來計算的。Velocity-Verlet算法計算簡便，很好地解決了上述Verlet 算法所表現出的不足，其基本公式如下：
在模擬過程中，對運動方程積分步長的選擇也尤為重要，較小的步長意味著模擬的結果將更加精準，而較大的步長則意味著計算時間的節省以及有利于研究時間范圍更大的系統。太長的時間步長會造成分子間的激烈碰撞，體系數據溢出；太短的時間步長會降低模擬過程搜索相空間的能力，因此通常選取積分步長的原則是小于系統中運動最快的原子周期的百分之十。為了提高搜索相空間的能力，可以屏蔽分子內部振動或其他無關運動的約束動力學。因此就可以根據Lennard-Jones勢能來簡單估計原子系統的積分步長，取勢能中的最大值用來估計運動最快的原子以便確定積分步長。除了此方法外，還可以根據系統總能量的漲落進行判斷，當系統的總能量維持在一個穩定的狀態則可以判定為積分步長較合適，反之則需要適當地減少積分步長。
結果的輸出
用分子動力學模擬方法求出模型中粒子的運動軌跡之后，就可以用統計力學原理計算模型的物理性質，從而完成分子動力學模擬方法的全過程。系統的平均值就是各點的物理量的統計平均值。分子動力學模擬方法要輸出的物理量包括內能、壓力、溫度等，部分輸出的物理量的公式如下：
體系的內能計算：
其中，和分別為體系中粒子的動能和勢能。
體系溫度計算：
其中，為體系中粒子的數量，為路德維希·玻爾茲曼（Boltzmann）常數。
瞬時壓力函數計算：
其中，和分別為密度和體積，為粒子與粒子之間的距離， 為系綜平均，分子內成對維里函數（Virial 函數）定義為：
其中，為分子內勢能函數，為粒子間的距離。
勢函數
勢函數描述了粒子間的相互作用，決定著計算機模擬的工作量以及計算模型與真實系統的近似程度，直接影響著模擬結果能否成功，所以勢函數是分子動力學計算的核心， 勢函數的選取至關重要。勢函數的形式多種多樣，通常取決于材料的結構特征或者材料鍵的形式，從最初的對勢發展到了現在的三體勢、多體勢等。不同的勢函數適用于不同的形式，常用的勢函數有Lennard-Jones（L-J）勢、Morse勢、Tersoff勢、EAM勢、Finnis-Sinclair（F-S）勢函數、Tight-Binding（TB）勢函數等。
Lennard-Jones（L-J）勢
Lennard-Jones（L-J）勢常用于描述氣體分子或水分子間的作用力。分子間勢能在經典分子動力學模擬中最常用的為Lennard-Jones勢，即任意兩個分子 , 之間的勢能關系式如下：
其中，表示勢阱深度，表示分子直徑，表示兩分子之間距離
Morse勢
Morse勢常用來描述稀有氣體、高度離子化的體系，其函數形式為：
其中，為系統的總能量，為三個待確定的參數，為 原子和 原子之間的距離。
Tersoff勢
Tersoff勢是一種Morse勢函數的多體經驗勢，可以較精確地描述共價體系（如C、Si和Ge等） 原子間的相互作用力，其勢函數可表示如下：
式中，為體系原子之間總能量；和是成對可加的吸引相互作用項和排斥相互作用項；是光滑截斷函數項；為原子和原子之間化學鍵的鍵級；為原子和原子之間的鍵長。
系綜
在分子動力學模擬中，需對溫度、壓強等宏觀實驗環境進行設定，為此引入系綜這一統計物理學概念。系綜是指在一定的宏觀條件下，大量性質結構完全相同的、處于各種運動狀態的、各自獨立的系統集合。分子動力學模擬過程中可以使用的系綜包括以下四種：
（1）微正則（NVE）系綜：即系統中保持恒定的原子數目和體積，系統能量保持不變。在該系綜下系統不會與外界產生能量及物質交換，但溫度和壓強發生起伏變化。
（2）正則（NVT）系綜：即系綜中體系的粒子數、體積、溫度保持恒定，總動量為0。在該系綜下系統與外界發生能量交換以達到溫度恒定，系統能量和壓強發生起伏變化。
（3）等溫等壓（NPT）系綜：即系統中保持恒定的原子數目、體積和壓強。在該系綜下系統通過調節體積大小保證壓強不變。
（4）巨正則（VTμ）系綜：即系統與外界產生能量交換以保證溫度恒定，通過粒子交換達到化學平衡以保證化學勢相等。該系統通常用于蒙特卡羅模擬，例如實現合金內部短程有序分布。
在分子動力學模擬中，系綜決定了體系熱力學量的計算方法。模擬過程中，系綜對模擬體系的溫度、壓力、能量進行實時調控。研究表明，材料性能受溫度、壓力等外在因素的顯著影響。因此，根據宏觀實驗條件選擇合理的系綜，對分子動力學模擬的準確性有重要影響。
相關概念
長程相互作用
根據分子間相互作用空間范圍的大小，分子間相互作用可以分為兩種不同的類型：近程相互作用和長程相互作用。近程相互作用的作用距離相對較小，只需計算相距較近的分子間的相互作用，截去相距較遠的分子間的相互作用，不會產生顯著的誤差，截斷近似成立。相反，長程相互作用的作用距離很大，截去相距較遠的分子間相互作用會產生很大誤差。甚至相距超過一個模擬元胞的兩個分子，其相互作用也必須計算，不能忽略，截斷近似不成立。
相互作用究竟是近程還是長程，可以通過勢函數的漸近性質來確定。如果勢函數與具有相同的漸近性質，則越大，作用范圍越小；越小，作用范圍越大。庫侖相互作用具有的漸近性質，是最典型的長程相互作用。相反，Lennard-Jones 相互作用具有的漸近性質，是典型的近程相互作。一般地，以作為區分長程相互作用和近程相互作用的界限，為近程相互作用，為長程相互作用。長程相互作用和近程相互作用雖然沒有本質區別，但在分子動力學模擬中對這兩種作用的計算方法完全不同。
在分子動力學的模擬計算中，幾乎90%的時間用來計算原子所受的力，其所用時間正比于體系原子數的平方，一般分子動力學模擬的原子數較多，故對原子力進行簡化是非常有必要的。對于短程作用力，常常采用截斷半徑法，即只考慮力程以內的作用力，可以大大減少計算量；對于庫侖力等長程作用力，則需要找近似辦法來處理，進而減少計算量。計算長程相互作用力的常用近似算法包括埃瓦爾德（Ewald）加和法、反應場（Reaction Field）方法和格子多重（Cellmultiple）方法等。
埃瓦爾德（Ewald）加和法
埃瓦爾德加和法是1921年德國科學家埃瓦爾德在研究離子晶體能量時發展的一種計算長程勢的近似方法。主要研究的是一個粒子與模擬盒子中的其他所有原子以及周期性原胞中的鏡像粒子之間的相互作用。埃瓦爾德加和法是在求和時將勢函數轉變成兩個可以迅速收斂的級數，從而大大節省了機時。其勢函數的總表達式可寫為：
反應場方法
反應場方法能夠比較簡單地計算偶極相互作用，此方法計算截斷半徑內所有電荷間的靜電相互作用，在截斷半徑內，可以明確地計算中心分子與其他所有分子的相互作用，而將截斷半徑外的靜電相互作用視為介電常數。采用反應場方法所耗的計算時間不長，但它存在球形內外的函數銜接處是不連續性的問題。
受控分子動力學
為了研究生物系統中配體受體的動態相互作用，受原子力顯微鏡單分子力譜技術的啟發，分子動力學模擬方法中引入了非平衡的分子動力學模擬方法，受控分子動力學模擬方法（Steered Molecular Dynamics，簡稱SMD）。受控分子動力學模擬方法基于牛頓運動方程，通過固定住模擬體系中的某幾個原子，而在另外的某個或者某幾個原子（被稱為SMD原子）上施加一個指定方向的外力，來模擬原子力顯微鏡單分子力譜的力探針的作用，觀測體系隨時間的狀態改變。通過受控分子動力學模擬方法，既可以定性地分析體系的動態相互作用，又可以定量地計算體系的結合能。相對于原子力顯微鏡的單分子力譜實驗的兩種工作模式（恒速拉伸模式和恒力拉伸模式)，對應的受控分子動力學模擬方法也存在兩種模擬方式——恒速拉伸（Constant Velocity Pulling）模式和恒力拉伸（Constant Forcc Pulling）模式。
恒速拉伸模式是使用最為廣泛的受控分子動力學模擬方法。一個虛擬的施力原子（被稱為啞原子）通過一個虛擬的彈簧與SMD原子相連。 在拉伸模擬過程中，這個啞原子會以恒速的方式沿著給定的方向移動， 而SMD原子的速度卻不是恒定的。當外力作用在啞原子上時，虛擬彈簧在這個外力的作用下發生形變，會引起SMD原子的運動，最終獲得SMD原子上施加的外力隨時間變化的曲線。SMD原子所受到的拉力由虛擬彈簧的彈性系數所決定，滿足胡克定律，因此可以根據牛頓運動定律計算出SMD原子所受到的拉力大小。
受控分子動力學模擬方法的另一種工作模式是恒力拉伸模式。根據定義可知，在恒力拉伸模式下，沒有啞原子和虛擬彈簧的概念，而是直接將指定大小的力作用到 SMD原子上，在恒力拉伸模式下，體系離解的速度隨分子間相互作用力的大小成反比改變。
溫度控制
分子動力學模擬體系的重要特征之一是體系的溫度，通常需要研究某種分子在指定溫度下的性質和特征，如NPT系綜、NVT系綜等。因此，這需要對模擬體系施加控溫技術，從而使體系在動力學模擬過程中 一直保持在期望溫度周圍，一般允許在一定程度上進行波動，從而體現勢能動能交換造成的溫度微觀漲落。
控溫技術，一般稱作熱浴，也可稱作溫度耦合， 等價于使模擬體系中的所有粒子處于人為虛構的恒溫外環境中，一般是通過對體系 中粒子速度的調節來實現控溫的目的。麥克斯韋分布嚴格描述了理想氣體體系中的粒子速度分布。同時，粒子達到熱 平衡且存在相互作用時分布情況也近似適用。現階段，主要有速度標定法、Berendsen熱浴法、Nose-Hoover法、Langevin法等。
邊界條件
在宏觀力學計算中，在不考慮剛體運動時，需要邊界條件。用分子動力學計算模擬時，同樣需要考慮邊界條件。分子動力學中邊界條件應該考慮加載、體系的大小、表面、尺寸等因素。邊界條件通常分為周期邊界條件和非周期邊界條件兩種。
周期性邊界條件
分子動力學模擬方法的典型尺度從幾百個原子到幾百萬個原子，為了表示擴展系統，在模擬單元中通常采用周期邊界條件。周期邊界條件可看成在基本單元基礎上可以重復擴展，延伸到無限遠的空間，常用于模擬無限大的體系。它也可被認為模擬各種性質的物理量從一側出去，從另一側重新回到模擬區域。這種邊界條件可以很好的消除邊界對模擬系統的影響，例如:可消除在熱輸運過程中的邊界散射影響。周期性邊界條件，常用來消除表面效應或邊界效應的影響，或者是為了減少工作量模擬具有周期性特征的晶體結構。
非周期邊界條件
非周期邊界條件包括固定邊界條件和自由邊界條件（也稱作開放邊界條件）兩種。在對于低維材料及有限體系的模擬中，通常在特定方向上采用非常周期邊界條件。例如對于2D材料的模擬，平面外的方向上就需要設置成自由邊界條件。在一些特定的有限體系模擬時，需要采用固定邊界條件固定一部分原子來實現特定的模擬目的，這一部分原子的速度、位移和受力均為零，如在非平衡態MD模擬計算一定長度系統的熱導率時，需要固定一部分原子作為隔熱層來實現熱流的定向流動，防止反向熱流。
應用
分子動力學模擬方法所能夠模擬的時間尺度在飛秒至納秒范圍內，空間尺度在幾納米至百納米范圍內。該時空尺度恰好與原子、分子以及分子團簇、分子聚集體的特征運動相對應，是分析物質內部分子間相互作用的強大工具，可幫助研究者從微觀層面揭示物質結構與性能關系。分子動力學模擬方法在生物學、材料學、物理和化學等各種科學領域中應用十分廣泛。
在生物科學領域的應用
分子動力學計算可以獲得體系中各微觀粒子隨時間的演變過程，直觀了解體系在特定條件下的微觀動力學行為。該類方法是研究蛋白質等生物大分子功能與作用機制的有效手段，被廣泛應用于蛋白質構象變化、蛋白結構-功能關系、蛋白配體相互作用、殘基突變及其它因素對蛋白結構及功能的影響機制等研究，在呈現蛋白質構象變化和配體結合等動態過程中起著重要作用，為相關實驗數據提供了有力的補充。
固有蛋白質折疊
分子動力學模擬方法可以用來研究固有無序蛋白，且其在研究固有無序蛋白中相比實驗方法有非常多的優勢。盡管目前有很多實驗方法可以用來判定蛋白是無序的還是有序的，也有一些實驗方法能測定固有無序蛋白的相關結構信息，但實驗方法受實驗條件的約束，仍然有很多觀測不到的信息。
分子動力學模擬方法作為種理論方法，其最大的優勢在于不受實驗條件的約束，可以同時研究全長和一段蛋白，可以研究不同環境下的蛋白如膜環境或酸性環境，還可以研究蛋白與蛋白的相互作用。此外，由于固有無序蛋白沒有固定的三維結構，是以結構系綜的形式存在的，因此普通實驗方法難以得到固有無序蛋白整體的結構系綜和關鍵的中間態，而分子動力學模擬方法為研究固有無序蛋白的這些結構性質提供了有力的工具。固有無序蛋白的二級/三級結構、長程相互作用、蛋白-蛋白相互作用、氫鍵和許多其他結構特征都可以從分子動力學模擬的軌跡中計算得到。
病毒組裝模擬
分子動力學模擬方法已成為檢查病毒的基本計算技術，其與實驗方法高度互補，可以揭示可能無法通過其他方式獲得的結構和動力學細節，是整合實驗數據、開發機理模型和提出有關病毒功能的可檢驗假設的重要輔助手段。大多數病毒利用自組裝的能力，在蛋白質衣殼的幫助下保護和運輸其基因組材料，可以使用分子動力學模擬方法了解原子細節，理解組裝路徑的動力學。
在材料科學領域的應用
分子動力學模擬方法，憑借其在納米尺度實時精準、全息精細反映微觀組織變化的能力，成為材料科學探索中重要的研究方法。在金屬材料相關研究中所涉及內容，包括凝固過程、相變、塑性變形和熱物性質計算等。而在微觀晶體缺陷的研究中，分子動力學模擬方法可以模擬缺陷的形成、演化以及其對晶體性能的影響。
材料輻射損傷
分子動力學方法可以用于模擬材料的級聯碰撞過程，輻照損傷演化，成核及其生長過程，是目前在原子量級研究輻照條件下材料從晶體到非晶化轉變唯一可行的模擬方法。在過去的幾十年，分子動力學方法已經成為研究缺陷特性、缺陷演化、缺陷團移動、缺陷相互作用、擴散及納米叢形成的主要研究方法。
晶體的微觀結構
晶粒粒徑是影響金屬多晶材料性能最重要的參數之一，晶粒細化可以改善結構材料的力學性能，如提高強度、硬度。納米多晶材料以其高強度、高硬度和超塑性等優異力學性能， 引起了廣泛興趣。分子動力學模擬方法可以提供深入直觀的原子圖像，這對澄清納米材料微觀結構有重要作用。分子動力學模擬方法可以模擬納米多晶銅的微觀結構性能、中大角和小角晶界特征、晶粒的畸變現象等。
電池電解質
分子動力學模擬方法在電池研究上的應用興起于1990年代后期，得益于計算機科學的發展，分子動力學模擬方法目前已成為探測電池電解質基本原理的重要工具之一，包括本體/界面結構、物理化學性質和界面反應。通過對幾何結構、能量演化或偶極矩演化的統計分析，可以推導出擴散系數、比熱容和介電常數等宏觀性質。因此，分子動力學模擬方法將電解質的微觀結構和宏觀特性聯系起來，并已廣泛應用于各種可充電電池領域。
分子動力學軟件
目前，根據研究領域和對象的不同，已開發了LAMMPS、MS 、GROMACS、NAMD等分子動力學模擬軟件，以及OVTIO、VMD等可視化軟件，基于高性能計算可實現上億原子體系的模擬。
GROMACS簡介
GROMACS（Groningen Machine for Chemical Simulations）是一個用于分子動力學模擬的軟件套裝，它提供了許多分子模擬計算所需的工具和功能， 被設計用于材料和生物大分子（如蛋白質、脂質和核酸等）等體系的分子動力學模擬程序。最初由荷蘭格羅寧根大學（University of Groningen）的H.J.C. Berendsen等人開發，現為一個開源項目。GROMACS支持多種操作系統，包括Linux、Windows和Mac OS，并且可以使用多種硬件加速技術（如GPU和MPI）來提高模擬效率，可支持多種分子力場和算法包。
LAMMPS簡介
LAMMPS軟件是一種大規模原子分子并行仿真器，不依賴其本身自帶的力場，為開源軟件，可通過自編程加入力場、原子模型和邊界條件等計算模塊，實現對流體流動的精確模擬。
Lammps軟件是一個經典分子動力學計算軟件，是由美國能源部下屬Sandia國家實驗室聯合Temple大學開發的經典分子動力學軟件包，程序基于C++開發，支持主流的并行框架，并在GPL協議下開源。 Lammps是通過輸入文件和輸入運算命令來進行運行模擬，輸入文件中包括in文件、 勢函數文件和數據模型數據文件。LAMMPS沒有圖形顯示界面，結果輸出以log文件和dump文件來顯示結果。運算命令包括串行版啟動命令和并行版啟動命令。串行版Lammps（serial）使用1個核的cpu進行計算，并行版Lammps（mpi）可調用多個cpu核進行計算。
MS簡介
MS（Materials Studio）是美國Accelrys公司生產的新—代材料模型計算軟件，是一款商業化的計算模擬軟件，是專門為材料科學領域研究者開發的一款圖形化界面軟件。軟件集成了很多模塊，可以解決當今化學、材料工業中的一系列問題。 Materials Visualizer提供了建模、分析和顯示的工具，可以由化學數據庫顯示和模擬材料的結構。
參考資料 >