| 词条 | 分子力场 |
| 释义 | 分子模拟的基础，是准确计算原子之间的相互作用，包括组成同一分子的原子之间的成键相互作用，和不同分子间的范德华相互作用，有的分子间还有氢键相互作用。描述原子间的这些相互作用，有两种方式，一个是通过量子化学计算，另外一种方式就是采用分子力场计算。 分子力场的来源我们知道，量子化学计算分子结构和原子、分子间相互作用比较准确，但是很慢；而采用分子力场计算就会很快，因为分子力场并不计算电子相互作用，它是对分子结构的一种简化模型，所以计算很快。在这个模型中，它把组成分子的原子看成是由弹簧连接起来的球，然后用简单的数学函数来描述球与球之间的相互作用。比如，氢分子，看做有弹簧链接的两个球的话，可以用胡克定律描述两个氢原子间的能量：E=k*(b-b0)^2。其中，b表示两氢原子间距离，b0表示平衡时原子间距，k为键能系数，b0和K称为力场参数。更复杂一点可以用四次方表达：E=K1*(b-b0)^2+K2*(b-b0)^3+K3*(b-b0)^4，更多的参数可以获得对成键分子的更精确的描述。这是描述成键作用，不成键的原子间的相互作用则采用Legendre-Jones函数，或者Bukingham函数描述。 从上面可以看出来，力场用简单的数学函数描述原子间作用，称为分子力场，又叫分子力学力场。采用分子力场的分子模拟称为经典分子模拟。这是相对于采用量子力学计算的分子模拟来说的。那么，分子力学对分子结构和原子间相互作用描述的是否准确呢？这依赖于你所用的参数。而这些参数通常拟合自实验数据，或者量子化学结果。它属于经验描述，显然品质要低一些，但是由于计算速度快，适合于描述上千个乃至百万个原子的模拟，在这些情况下，我们无法采用量子力学计算，因此，只能采用经典模拟。 不同分子力场间的区别分子力场有很多，比如生物模拟常用的AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS，材料领域常用的CFF, MMFF, COMPASS等等。他们的区别在哪里呢？一个力场通常包括三个部分：原子类型，势函数，和力场参数。也就是说不同的力场，他们的函数形式可能不一样，或者函数形式一样而力场参数不一样。其中，最关键的差别取决于分子力学模型，比如有的力场考虑氢键，有氢键函数；有的考虑极化，有极化函数。其次，分子力场参数都是拟合特定分子的数据而生成的，比如，面向生物模拟的力场选择生物领域的分子模拟得到参数，而材料的，则侧重选择材料方面的分子。这些被拟合的分子成为训练基（training set）。 分子力场的局限由于力场参数是拟合训练基分子得到的，那么这些参数用于计算其它分子准确吗？这叫分子力场的迁移性问题。迁移性问题还包括状态迁移性问题，就是说所拟合的实验数据是常温常压下测量的，然后你模拟的可能是高温高压下的，那么分子力学的准确性也会降低。这些都属于分子力场的局限性。 常用势函数的组成分子力场有时被称为势函数。以下是一般分子力场势函数包括的几个部分： 描述分子内成键作用的项 键伸缩能：构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化 键角弯曲能：键角变化引起的分子能量变化 二面角扭曲能：单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化 交叉能量项：上述作用之间耦合引起的能量变化 描述分子间作用的项 非键相互作用：包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用 |
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