實驗四介觀動力學模擬27396

1、計算材料學實驗講義實驗八：介觀動力學模擬一、前言1、介觀模擬簡介長期以來，化學家致力于從分子水平研究物質及其變化，而化學工程工作者主要研究物質在宏觀體系的行為，介觀層次的化學正是聯(lián)系微觀及宏觀的橋梁，是從分子到材料的必由之路，同生命過程也有密切的關聯(lián)。由于介觀模擬能夠模擬的空間尺度（納米到微米）、時間尺度（納秒到微秒）更大，應用介觀模擬方法可以模擬更加復雜的體系，例如：高分子熔體，高分子稀溶液自組裝，表面活性劑溶液自組裝，磷脂膜等膠體化學，高分子，生物大分子相關的內容。目前介觀模擬的方法很多，例如耗散顆粒動力學模擬方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是

2、根據(jù)Hoogerbrugge和Koelman提出的一種針對柔性(soft)球模型流體動力學的模擬，并通過引入粒子間的諧振動勢，來模擬聚合物的性質；元胞動力學方法（CDS），基于重整化群理論，對時間相關的Ginzburg-Landau方程直接用數(shù)值計算的方法在離散空間上進行描述。其中單個元胞的演化通常用雙曲正切函數(shù)表示；動態(tài)密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），應用于高分子體系，建立在粗?；咚规溎Ｐ偷幕A上，實際上是一個動態(tài)的自洽場方法，使用了朗之萬方程（Langevins equation）來描述體系演化的動力學。（1）MS-Mesocite簡介MS Mesocite是一個基于粗粒度模擬

3、方法的、可以對廣泛體系進行模擬研究的分子力學工具集，模擬的對象大小尺寸在納米到微米尺度范圍，相應地，模擬變化的時間范圍落在納秒至微秒?yún)^(qū)間。MS Mesocite的模擬對象遍及多種工業(yè)領域，比如復合材料、涂料、化妝品以及藥物控緩釋等，它可以提供流體在平衡態(tài)下、在有剪切力存在下以及其它受限制條件下的結構與動力學性質。MS Mesocite的突出特點是使用完全區(qū)別于傳統(tǒng)介觀模擬技術，轉而采用力場(Forcefield)方法比如MS Martini力場來描述粗粒度之間的相互作用，從而得到體系的結構、和動力學特性，分析函數(shù)主要有角度分布，密度分布，徑向分布函數(shù)，二面角分布，均方根位移等。同時，您還可以使

4、用力場編輯工具對MS Mesocite的力場進行編輯，以獲得滿足特殊要求的力場，從而拓展了MS Mesocite的應用范圍。應用Mesocite進行動力學模擬時，最主要的是得到精確的力場。Martini力場，是由Marrink提出的，可以應用于生物分子體系。Martin力場中包括四種主要的力場類型：極性（polar-P）、非極性（apolar-C）、無極性（nonpolar-N）、帶電（charged-Q）。每種力場類型又分為若干子類型，極性和非極性根據(jù)極性高低下分有五種類型（用下坐標1-5表示），無極性和帶電的更具氫鍵結合能力分為四種類型（d-氫鍵供體，a氫鍵受體，da-兩個都有，o-都沒有

5、），這樣使得Martini力場能夠更加精確的描述體系性質，應用于更多不同的有機分子體系。二、實驗目的1、了解介觀模擬方法及應用領域2、了解Martini力場的3、掌握Mesocite模塊的基本操作三、實驗內容以下以介觀動力學模擬脂質雙分子層為例，熟悉Mesocite的基本操作。1、打開MS，選擇created new project，鍵入CG-bilayer作為工程的名稱，點擊OK。本實例是在軟件所有參數(shù)在默認的情況下進行的，選擇Tools-Settings Organizer，選中CG-bilayer，點擊Reset。2、建脂質分子，建模過程要用到Mesostructure toolbar，

6、如在工具欄中沒有此建模工具，點擊菜單欄中的view-toolbar-mesostructure，調出此建模工具。（1）點擊Bead Types按鈕，打開Bead Types 對話框。點擊Properties按鈕，打開 Bead Type Properties 對話框，點擊Defaults按鈕，設置Mass為72，Radius為2.35，關閉Bead Type Defaults和Bead Type Properties對話框。在Bead Types對話框中，定義一下珠子類型：C、GL、PO和NC，關閉對話框。（2）點擊Mesomolecule按鈕，打開Build Mesomolecule對話框。

7、定義粗?；肿?，依次選擇4個C、1個GL、1個PO、1個GL和4個C，確定不選Randomize order within repeat unit，點擊Build按鈕。在Mesomolecule.xsd文件中左擊PO珠子，刪除Build Mesomolecule對話框中所有的珠子。選中Add to branch points，點擊more按鈕，打開Mesomolecule Branches對話框。設置Number of branches to attach為1，關閉對話框。在Build Mesomolecule對話框中選擇1個NC。點擊Build按鈕。（在顯示面板中右擊，選擇Label，打開l

8、abel對話框，在properties一欄中選擇BeadTypeName，點擊Apply，可以檢測建立的粗?；肿邮遣皇钦_，可以對比下圖。（3）關閉Build Mesomolecule對話框。在Project Explorer，把Mesomolecule.xsd文件名改為DPPC.xsd。我們得到以下粗粒化分子結構：3、更改Martini力場，分配力場，優(yōu)化脂質分子。（1）選擇Modules -Mesocite - Forcefield Manager或點擊Mesocite tools，選擇Forcefield Manage，選擇MS Martini，點擊，打開力場文件。在Project E

9、xplorer中，把文件名改為MSMartiniCIS.off。（2）打開MSMartiniCIS.off文件，點擊Interactions。在Show interaction下拉選項中選擇Angle Bend。在空白框中，設置Fi 和Fk 到Na 以及 Fj 到Qa。改變 Functional Form 為Cosine Harmonic設置TO為120，KO為10.8。關閉力場文件并保存。（3）選擇Modules | Mesocite | Calculation或點擊Mesocite tools選擇Calculation;打開Mesocite Calculation對話框，點擊Energy，

10、在Forcefield的下拉選項中選擇Browse.，在Choose Forcefield對話框中選擇MSMartiniCIS.off。（4）打開DPPC.xsd文件。按下ALT鍵，雙擊任意C類型珠子，選中所有的C類型珠子。在Mesocite Calculation對話框中，點擊More.打開Mesocite Proparation options對話框，選擇C1，點擊Assign按鈕。重復此步，為GL、PO、NC分配力場，分配類型如下表所示：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0選擇PO珠子，在

11、Properties Explorer中，設置Charge為-1，同樣把NC設置為1。（5）在Mesocite Calculation對話框中，點擊Setup，改變Task為Geometry Optimization。點擊Run按鈕。得到以下結構：（6）在工具欄中，選擇Measure/Change按鈕，下拉選項中點擊Angel，依次點擊左邊的C-GL-PO,同樣選擇右邊的PO-GL-C。此時會顯示出兩個接近156.50的角度，選在兩個角度，在Properties Explorer中，設置Angels為230。按下ALT鍵，雙擊角度，按下Delete。得到以下分子結構：（7）參照第二步，定義珠子

12、W，用Build Mesomolecule建模工具，建立一個僅包含W的粗?；肿?。更改文件名為solvent.xsd。4、建立雙分子層結構。（1）選擇Build | Build Mesostructure | Mesostructure Template或點擊Mesostructure toolbar中的Mesostructure Template，打開Build Mesostructure Template對話框。改變X、YExtents為64，Z Extent為100。在Filler中，鍵入solvent。點擊Build按鈕。在Build Mesostructure Template對話框

13、中，改變Former type為Slab。改變Depth為44.15，Orientation為Along Z。選中Enable surface packing;在Filler中鍵入lipid。點擊Add，關閉對話框。（2）選擇Build | Build Mesostructure | Mesostructure或點擊Mesostructure toolbar中的Mesostructure ，打開Build Mesostructure對話框。solvent filler 中的Mesoscale Molecule，選擇solvent.xsd。lipid filler選擇優(yōu)化的DPPC.xsd。點擊

14、Packing，設置Length scale (L)為1，Density為0.00836；不選Randomize conformations。在Packing中，點擊More.按鈕，打開Bead Packing Options對話框；雙擊打開已經(jīng)優(yōu)化過的DPPC.xsd。選擇NC，點擊Create bead Head set from selection按鈕。按下CTRL + D取消選定，之后按下CTRL鍵，選擇尾部的兩個C珠子。在Bead Packing Options對話框中，改變Bead tag為Tail，點擊Create bead Tail set from selection。關閉對

15、話框。標記后的DPPC結構如下：（3）雙擊mesostructure template.msd。在Build Mesostructure對話框中，點擊Build按鈕。得到下圖所示結構：（4）在菜單欄中選擇File | Export.，打開Export對話框，在保存類型下拉選項中選擇Materials Studio 3D Atomistic Files (*.xsd)，點擊Options.按鈕，打開MSD/MTD Export Options對話框，設置Length scale為1，點擊OK。改變文件名為bilayer.xsd，保存在（I）：選擇當前工程的根目錄下的CG-bilayer File

16、s/Documents。點擊保存（S）。此時在project explorer會出現(xiàn)一個名為bialyer.xsd的文件。（5）在菜單欄中選擇File | Save Project，選擇Window | Close All。5、體系優(yōu)化及動力學過程。在Project Explorer中，雙擊bilayer.xsd，打開文件。（1）分配力場：如第三步中的第四小步，為每種粗粒子珠子分配力場，分配電荷。分配類型如下表所示：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC10GLNa0POQa-1.0NCQ01.0WP40（2）第一次構型優(yōu)化打開Mesoci

17、te Calculation對話框；點擊Energy按鈕，在summation method中的Electrostatic的下拉選項中選擇Bead based。確保Mesocite Calculation/Setup中的Task為Geometry Optimization；選中Mesocite Calculation/Jop Control中的Run inparallel on of i processors，把可用的CPU調到最大值（此后在幾何優(yōu)化過程，還是動力學過程，為了充分利用服務器，CPU都調到最大值）。點擊Run。（3）第二次構型優(yōu)化雙擊打開優(yōu)化過的bilayer.xsd在Mesoc

18、ite Calculation對話框中選擇Setup按鈕；點擊More.打開Mesocite Geometry Optimization對話框，選中Optimize cell；關閉Mesocite Geometry Optimization對話框。點擊Run。（4）動力學優(yōu)化雙擊打開第二次優(yōu)化過的文件bilayer.xsd在Setup中，選擇Task為Dynamics，點擊More.按鈕，打開Mesocite Dynamics對話框。設置Time step為20fs，Dynamic time 50ps，改變Ensemble為NPT。選擇Thermostat按鈕，設置Thermostat為Vel

19、ocity Scale。點擊Barostat按鈕，設置Barostat為Andersen。在Mesocite Calculation對話框中點擊Run。（5）第二次動力學優(yōu)化雙擊打開bilayer Mesocite Dynamics文件夾下的bilayer.xtd文件；在Mesocite Dynamics對話框中選擇Thermostat按鈕，設置Thermostat為Nose。設置Q ratio為1600。設置Time step為40fs，Dynamic time 200ps，點擊Dynamics按鈕，設置Frame output every為100steps。在Mesocite Calcul

20、ation對話框中，選中Restart；點擊Run。彈出警告對話框，點擊Yes。（6）選擇File | Save Project，選擇Window | Close All。6、結果分析，以角度分布和沿Z軸濃度分布為例。（1）角度分布： 雙擊打開bilayer Mesocite Restart文件夾下的bilayer.xtd文件；雙擊打開DPPC Mesocite GeomOpt文件夾下的DPPC.xsd文件。在DPPC.xsd下，用Measure/change工具，選擇下圖所示兩個角度。選擇GL-PO-GL鍵角。 在菜單欄中選擇Edit | Find Patterns，打開Find Patte

21、rns對話框。定義優(yōu)化過的DPPC.xsd文件作為Pattern document，并且確定鍵角GL-PO-GL仍然被選中。改變Match property為BeadTypeName。打開軌跡文件bilayer.xtd，點擊Find。點擊New Sets.按鈕，打開Define New Set對話框，鍵入GL-PO-GL Angles，點擊OK按鈕。在bilayer.xtd文件中取消選定。同樣定義sets為 C-PO-C Angles。 選擇Modules | Mesocite | Analysis，或點擊mesocite tools，選擇Analysis；打開Mesocite Analysi

22、s對話框，在Analysis選項中選擇Angle distribution；在Sets下選項中選擇GL-PO-GL Angles，點擊Analyze。同理，分析鍵角C-PO-C Angles。把數(shù)據(jù)拷貝到excel中，作圖可得：（2）Z方向濃度分布 雙擊打開bilayer Mesocite Restart文件夾下的bilayer.xtd文件；選擇Edit |Edit sets，打開Edit sets對話框，按下ALT鍵，雙擊任意W珠子，選中了所有的W珠子。在Edit sets對話框中，點擊New，打開Define New Set對話框對話框，鍵入W，點擊OK。同理，定義Sets NC、PO、G

23、L、C。 選擇Modules | Mesocite | Analysis，或點擊mesocite tools，選擇Analysis；打開Mesocite Analysis對話框，在Analysis選項中選擇Concentration profile；Sets選擇W，選中Specified direction (hkl)，改為0 0 1；點擊Analyze；同理分析NC、PO、GL、C。把數(shù)據(jù)拷貝到excel中，作圖可得：本實例為軟件幫助中的實例教程，參數(shù)設置原因可參考Help幫助文件。參考文獻：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.實驗步驟及注意的問題1、 構建5種珠子C、GL、PO、NC、W，設置Mass為72，Radium為2.352、 構建DPPC脂質分子3、 構建力場4、 給DPPC分子分配力場，優(yōu)化分子結構，調整角度，獲得DPPC分子的最終構型5、 構建水分子構型6、 構建盒子7、 填充盒子8、 導出.xsd構型文件9、 給盒子分配力場10、

25、 初步優(yōu)化盒子11、 選中optimized cell 進一步優(yōu)化盒子（注意能量變化曲線，如太高，需進一步優(yōu)化，一般需要優(yōu)化2-3次）12、 對優(yōu)化后的構型進行初步分子動力學模擬（time step 20fs，Dynamic time 50ps）13、 改變參數(shù)設置，再次進行分子動力學模擬（time step 40fs，Dynamic time 200ps）14、 在DPPC分子中選中GL-PO-GL以及C-PO-C兩個角度，選定find pattern，在.xtd軌跡文件中find所有的角度15、 對角度分布進行分析16、 在.xtd軌跡文件edit sets，選定5種原子，對其濃度分布進行分析。17、 將兩個角度分布導入EXCEL，將5中原子濃度分布導入EXCEL，分別作圖。四、作業(yè)1、模擬油水混合溶液的分層構型，油選擇癸烷作為油相代表（1）構建癸烷分