細胞與分子生物力學及相關(guān)問題

1、LAMMPS 簡 介,1. LAMMPS 特性,1.1. 簡介,LAMMPS: Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator美國能源部兩個實驗室和三個公司聯(lián)合開發(fā)，Sandia國家實驗室發(fā)布固、液、氣態(tài)的經(jīng)典分子動力學模擬易于擴展，如加入新的力場、原子類型和邊界條件等C++ with MPI，F(xiàn)FT庫函數(shù)支持 GPU 和 OpenMP一個腳本可以運行一個或

2、多個模擬,1.2. 模型（atom_style）,原子粗?；Ｗ樱ɡ绺叻肿拥男∏?彈簧模型）United-atom 高分子或有機分子全原子高分子，有機分子，蛋白質(zhì)，DNA金屬顆粒物質(zhì)粗?；橛^模型有限尺度球和橢球粒子有限尺度 line segment（2d）和三角（3d）粒子偶極粒子硬球粒子以上模型的組合,1.3. 力場 (pair_style, bond_style, angle_style, dihedral

3、_style, improper_style, ksapce_style),二體勢：Lennard-Jones, Buckingham, Morse, Born-Mayer-Huggins, Yukawa, soft, COMPASS, hydrogen bond, tabulated帶電二體勢：庫侖勢，點電荷-電偶極矩作用多體勢：EAM, Finnis/Sinclair EAM, modified EAM (MEAM), embe

4、dded ion method (EIM), EDIP, ADP, Stillinger-Weber, Tersoff, REBO, AIREBO, ReaxFF, COMB電子力場（eFF,AWPMD)粗?；瘎荩篋PD, GayBerne, REsquared, colloidal, DLVO介觀勢：granular, Peridynamics, SPHBond potentials：harmonic, FENE, Morse

5、, nonlinear, class 2, quartic (breakable),Angle potentials：harmonic, CHARMM, cosine, cosine/squared, cosine/periodic, class 2 (COMPASS)Dihedral potentials：harmonic, CHARMM, multi-harmonic, helix, class 2 (COMPASS), OPLS

6、Improper potentials: harmonic, cvff, umbrella, class 2 (COMPASS)高分子勢：all-atom, united-atom, bead-spring, breakable水分子勢：TIP3P, TIP4P, SPC隱含溶液勢：hydrodynamic lubrication, DebyeKIM archive of potentials長程勢：Ewald, Wolf,

7、 PPPM (similar to particle-mesh Ewald), Ewald/N for long-range Lennard-Jones與常用力場 CHARMM, AMBER, DREIDING, OPLS, GROMACS, COMPASS 格式兼容,1.4. 初始構(gòu)型 (read_data, lattice, create_atoms, delete_atoms, displace_atoms, replicat

8、e),從構(gòu)型文件中讀入原子坐標在格點上放置原子在給定構(gòu)型上刪除成組原子已有構(gòu)型復制多次移動已有原子的位置,1.5. 系綜與約束條件 (fix),二維或三位系統(tǒng)正交或非正交（三斜晶系）模擬區(qū)域NVE, NVT, NPT, NPH, Parinello/Rahman積分器針對原子組群可以指定不同的熱耦通過 Nose/Hoover 或者 Berendsen 壓耦控制壓強模擬盒子可以變形（拉伸或剪切）諧振函數(shù)約束的力剛體約

9、束，SHAKE算法固定鍵長鍵角化學鍵的斷裂、生成、交換各種邊界非平衡分子動力學模擬,1.6. 積分算法 (run, run_style, minimize),velocity-Verlet 積分器布朗動力學剛體積分梯度共軛或者最陡下降法進行能量優(yōu)化rRESPA 多等級時間步長rerun 命令,1.7. 數(shù)據(jù)輸出 (dump, restart),Log 文件輸出熱力學信息文本文件輸出原子坐標、速度等信息二進制重啟 (r

10、estart) 文件并行輸出文件流熱力學量（能量、壓力等等）用戶定義的計算熱力學量的時間平均XYZ、XTC、DCD、CFG、自定義格式的原子構(gòu)型,1.8. 多重交換模型,Nudged elastic band: 尋找局部最優(yōu)路徑。Parallel replica dynamics: 用多個短模擬估計單個躍遷事件所需時間。Temperature accelerated dynamics: 在高溫模擬以加快動力學過程。P

11、arallel tempering (replica exchange): 同時跑不同溫度的模擬，用高溫的模擬幫助低溫模擬提高采樣效率。,1.9. 前處理與后處理工具,LAMMPS提供各種串行的前后處理工具軟件Pizzaa.py 軟件包，包括創(chuàng)建輸入文件、分析、畫數(shù)據(jù)圖和可視化。,1.10. 特殊功能,隨機轉(zhuǎn)動動力學實時可視化和交互分子動力學模擬有限元方法實現(xiàn)的原子與連續(xù)模型的耦合POEMS庫實現(xiàn)的耦合剛體積分巨正則系綜（

12、?VT）蒙特卡洛模擬插入和刪除粒子低密度流體的蒙特卡洛直接模擬Peridynamics 介觀尺度建模Targeted MD and steered MD,1.11. LAMMPS 不具備的功能,沒有運行LAMMPS的圖形界面沒有建立分子體系的工具自動給定力場參數(shù)模擬結(jié)果的復雜分析可視化模擬結(jié)果輸出數(shù)據(jù)作圖,2. LAMMPS 輸入文件格式,2.1. 構(gòu)型文件,*********

13、 標題 XXX atoms 體系的總原子數(shù)XXX bonds 體系的總鍵數(shù)XXX angles 體系的總角數(shù)XXX dihedrals 體系的總二面角數(shù)XXX impropers 體系的總 improper dihedral 數(shù) XXX

14、 atom types 原子類型數(shù)XXX bond types 化學鍵類型數(shù)XXX angle types 鍵角類型數(shù)XXX dihedral types 二面角類型數(shù)XXX improper types improper dihedral 類型數(shù),XXX XXX xlo xhi 模擬盒子在 x

15、方向的范圍XXX XXX ylo yhi 模擬盒子在 y 方向的范圍XXX XXX zlo zhi 模擬盒子在 z 方向的范圍 Masses {atom-type mass} Pair Coeffs {pair-type p1 p2 p3 p4} Bond Coeffs {bond-type p1 p2},Angle Coeffs {angl

16、e-type p1 p2} Dihedral Coeffs {dihedral-type p1 p2 p3} Improper Coeffs{improper-type p1 p2 p3} Atoms {atom-ID molecule-ID atom-type q x y z} Velocities,{atom-ID vx vy vz}

17、 Bonds {bond-ID bond-type atom-ID1 atom-ID2} Angles {angle-ID angle-type atom-ID1 atom-ID2 atom-ID3} Dihedrals {dihedral-ID dihedral-type atom-ID1 atom-ID2 atom-ID3 atom-ID4},Impropers

18、 {improper-ID improper-type atom-ID1 atom-ID2 atom-ID3 atom-ID4},2.2. 參數(shù)文件,# ******* 標題 units *** 能量單位 atom_style *** 原子構(gòu)型格式boundary * * * 周期邊界條

19、件pair_style *** 非成鍵相互作用的函數(shù)形式pair_modify *** 修改非成鍵相互作用的函數(shù)形式bond_style *** 化學鍵類型angle_style *** 鍵角類型dihedral_style *** 二面角類型improper_style *** imp

20、roper dihedral 類型kspace_style *** 長程力算法 read_data *** 指定讀入數(shù)據(jù)文件名,neighbor *** 設(shè)定 neighbor list 參數(shù) neigh_modify *** 原子構(gòu)型格式 timestep * * * 時間

21、步長；單位取決于 units 的設(shè)置 thermo_style *** 輸出文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容thermo XXX 輸出數(shù)據(jù)間隔 fix *** 設(shè)定模擬系綜及參數(shù)等等 dump *** 設(shè)定輸出構(gòu)型文件名及參數(shù) run XXX 運行的總步長 write restart ***

22、 斷點保存的文件名,3. LAMMPS 命令,3.1. 命令分類,逐行解釋執(zhí)行命令都用小寫，文件名和變量都用大寫 &: 續(xù)行；#：注釋；$：變量,初始化命令：atom_modify, atom_style, boundary, dimension, newton, processors, units初始構(gòu)型命令：create_atoms, create_box, lattice, read_data, read_dum

23、p, read_restart, region, replicate力場命令：angle_coeff, angle_style, bond_coeff, bond_style, dielectric, dihedral_coeff, dihedral_style, improper_coeff, improper_style, kspace_modify, kspace_style, pair_coeff, pair_modify,

24、pair_style, pair_write, special_bonds,設(shè)置命令：communicate, group, mass, min_modify, min_style, neigh_modify, neighbor, reset_timestep, run_style, set, timestep, velocityFix 命令：fix, fix_modify, unfixCompute 命令：compute, com

25、pute_modify, uncompute輸出命令：dump, dump image, dump_modify, restart, thermo, thermo_modify, thermo_style, undump, write_restart運行命令：delete_atoms, delete_bonds, displace_atoms, change_box, minimize, neb prd, rerun, run, t

26、emper其它命令：clear, echo, if, include, jump, label, log, next, print, shell, variable,3.2. Fix 命令,設(shè)置模擬系綜、算法、條件、參數(shù)等等。,3.3. Compute 命令,設(shè)置實時運行中進行的數(shù)據(jù)處理運算。,3.4. Pair_style,非成鍵相互作用的設(shè)置。,3.5. Bond_style,化學鍵的設(shè)置。,3.6. Angle_style,鍵角

27、的設(shè)置。,3.7. Dihedral_style,二面角的設(shè)置。,3.8. Improper_style,Improper dihedral 的設(shè)置。,3.9. Kspace_style,長程力算法命令。,另外還有很多擴展命令對應于相應的擴展軟件包。,LAMMPS 實 例,1. melt ? 快速融化 LJ 體系,快速融化 4000 個相互作用為 Lennard-Jones 勢的粒子。,2. meam ? SiC 體系模擬,用多體力場