为啥分子动力学单位 step 的时间是 femtosecond
不是所有步长都是femtosecond的。对于分子模拟,特别是利用有效力场开展的模拟,体系中最强的相互作用就是化学键,化学键的强度决定了体系的最高频率。为了准确刻画体系运动(也就是能够模拟最高频率的运动),时间步长要显著小于这个频率对应的时间,也就是显著小于键振动的周期。这时数值求解微分方程的稳定性要求。所以你看到的就都在fs附近了。
当然步长可以更小,不过一者更慢了,对于解决物理问题没有必要,在者,步长太小,还会有数值误差的增加,不是步长越小越好的。
为什么要用这样的键长参数尼?这时构造力场的时候确定的。通常是根据红外的信息,结合量化计算,给出了相应的数值。
那能不能任意改动来加速尼?任意改动会造成各种相互作用之间的相对大小出问题,模拟的结果就不真实反映物理系统了,不能单独因为速度而降低精度哦(在简化模型中就有人用弱化学键来模拟的,其模拟得到的动力学无疑是要小心的)。有些模拟通过约束键长,去掉这个高频因素,可以适当提高步长,不过提高的不太多。也有些多时长的方式,可以提高有效步长,不过由于蛋白质体系相互作用很复杂,改进也是有上限的。另外在随机模拟中,人们更关心体系的统计性质,而且随机模拟会包含阻尼因素,步长可以显著增加。这个要看具体模拟过程和问题了。现在还有些所谓多尺度方法,运用粗粒化尺度的运动来引导,降低势能面粗糙性,来凸显低频模式,可以实现一些加速。
【为啥分子动力学单位 step 的时间是 femtosecond】 回答你的问题,模拟是否代表真实世界的时间长度?DE Shaw目前对于小蛋白的模拟已经发现模拟的折叠时间和实验的时间是比较接近的。这也证实了模拟方法的有效性。更一般的说,在相互作用准确性得到保证的前提下(其实这个是一个很大的尚不很确定的问题),这样的模拟可以说接近于真实世界中的某一次过程。不过真实世界是很多分子的统计行为,所以很多时候人们还要对这样的过程进行统计分析,才好和真实世界的实验结果相比较(比如热力学性质、反应速率、单分子实验等等)。虽然模拟方法本身是有效的(如Shaw的模拟),但是更大的蛋白,更多的系综分析,现在的计算能力都不力所能及。这是现在模拟面对的问题。很多简化模型中,时间就没有明确概念了,常常会有一个映射,不过,由于相互作用的不准确性,这种映射的有效性常常是定性的。怎么找到简化而准确的相互作用,找出影响相关过程的关键物理量(其实这些高频项常常可以平均场化的),这是提高模拟方法以外另一个加速模拟的方向。
■网友
emm。建议您看看nwchem里面的aimd的设定,基本单位就是原子单位而不是fs。http://www.nwchem-sw.org/index.php/Release66:Gaussian_Basis_AIMD本质上这个time step只要足够小就是对的。原因也很简单,经典力学里面,化学键的伸缩振动一个周期时间超级短。如果你的时间步数太长,一步下来,速度就会变得超级大,再来一步,分子就散掉了。当然为了解决这个问题,还有些重要的算法例如限制键长的算法,这样就可以把时间不步长稍微调大一点(非键相互作用弱,加速度小,轨迹不至于太离谱)。而为解决势垒过高的问题,也有一系列算法去加速取样,例如umbrella sampling 什么的。注意动力学这个东西背后是统计力学,不是你跑个一百万步变成产物反应的时间就是一纳秒。所以多用用加速算法省点电,比较环保,而且也体现学术水平。
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