# 《分子模拟的理论与实践》示范实验 分子模拟是利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理、化学性质的方法。它是在实验基础上，通过基本原理构筑起一套模型和算法，从而计算出合理的分子结构与分子行为。分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子体系的动态行为。 分子模拟的工作可分为解释型和预测型两类。解释型工作即通过模拟解释现象、建立理论、探讨机理，从而为实验奠定理论基础；预测型工作是对材料进行性能预测、对过程进行优化筛选，进而为实验提供可行性方案设计。 分子模拟的优点在于可以研究更小尺度的微观结构，可以研究极端条件下（例如超高温、高压）材料的结构，并且相对于实验研究来说具有安全无毒的特点。 Molecular simulation is a method that employs computers to simulate molecular structure and behavior at the atomic level, and thus simulates various physical and chemical properties of molecular systems. It is based on experiments, through the basic principles to build a set of models and algorithms, so as to calculate a reasonable molecular structure and molecular behavior. Molecular simulation can simulate not only the static structure of molecules, but also the dynamic behavior of molecular systems. The work of molecular simulation can be divided into two categories: explanatory and predictive. Explanatory work is to explain phenomena, establish theories, and explore mechanisms through simulation, so as to lay a theoretical foundation for experiments, while predictive work is to predict the performance of materials, optimize the process screening, and then provide feasible design for experiments. Molecular simulation can be utilized to study microstructures on smaller scale, to study the structure of materials under extreme conditions (ultra-high temperature, high pressure), and is safe and non-toxic compared to experimental research. [TOC] ## 1. 课程简介 ### 1.1 课程目标 - 针对拟解决的问题，能够合理地构建模型； - 结合体系的大小以及所需的时间尺度，能够结合参考文献选择合理的计算方法与软件； - 不盲目地否定计算结果，能够使用合理的数据统计对计算结果进行分析解释。 ### 1.2 考核方式 基于课程所学内容，分小组以PPT的形式汇报与自己研究课题相关的模拟工作。 ### 1.3 课程安排 1. 从头计算方法简介 2. DPT概述和几个实际应用 3. 分子力学–水中溶菌酶的结构优化1 4. 分子动力学–水中溶菌酶的结构优化2 5. 力场的参数化 – GAFF 6. 力场的参数化 – CHARMM力场 7. 力场的参数化 – OPLSAA FF & PMF 8. 粗粒化力场简介 ### 1.4 参考书籍 《分子模拟的理论与实践》陈正隆等，化学工业出版社 《分子模拟（从算法到应用）》汪文川等译，化学工业出版社 《分子模拟的原理与应用》Leach, A. R. 世界图书图版公司（影印） 《计算化学-从理论化学到分子模拟》陈敏伯著，科学出版社 ## 2. 课程实践 ### 2.1 登录集群 - 方法一： 浏览器中访问超算 Studio 可视化平台 https://studio.hpc.sjtu.edu.cn/ - 方法二： 使用 SSH 连接（macOS 或 Linux 上使用终端，Windows 上安装 SSH 客户端），登录超算： ssh stuXXX@login.hpc.sjtu.edu.cn 例如使用Xshell登陆集群： 进入客户端，新建会话，设置会话名称，输入主机IP地址以及端口号。  点击链接-用户身份验证，输入用户名及密码，确定后即可连接登陆集群。  登陆之后得到下图所示的远程操作界面，可进行任务的提交。  ### 2.2 实验：使用Gaussian进行苯甲醛-水分子的结构优化和能量计算 #### 2.2.1 在超算上安装Gaussian 登陆集群，在xshell客户端个人主目录下输入命令： mkdir software cd software 将g16-linux.tbz压缩包传输至software目录下，再输入解压命令： tar xjvf g16-linux.tbz #### 2.2.2 模型构建 学习GaussView的使用  构建苯甲醛-水的模型  #### 2.2.3 高斯输入文件 将文件保存为test.gjf，为高斯的输入文件，理解输入文件的格式与含义，用文本编辑器并恰当修改其中内容  #### 2.2.4 任务提交 将如下内容写入slurm脚本，为g16.slurm  将test.gjf与g16.slurm传输至单独的工作目录，进入该工作目录。 用如下命令提交任务并查看进程： sbatch g16.slurm squeue -u stu690 #### 2.2.5 结果分析 1. 能量的读取 单点能任务完成后，打开ben-cho-sp.out，读取HF能量值，或者将文件导入至GaussView进行结果分析  2. 分子轨道的显示 结构优化任务完成后，使用formchk命令将检查点文件bne-cho-opt.chk转化为ben-cho.fchk： formchk ben-cho.chk 将ben-cho.fchk传输至本地用GaussView打开，分析分子轨道图形   ## 3. 参考资料 * 超算使用文档: https://docs.hpc.sjtu.edu.cn/ * HPC 网站：https://hpc.sjtu.edu.cn * 简短版使用手册（Cheat Sheet）：https://hpc.sjtu.edu.cn/Item/docs/Pi_GetStarted.pdf * 公众号：交我算