《分子模擬》(第二版)第一篇為分子模擬原理，在介紹分子模擬的物理和化學(xué)原理，如統(tǒng)計力學(xué)、力場、能量最小化和量子化學(xué)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，介紹了一些模擬基本方法，如Monte Carlo 模擬、分子動力學(xué)模擬、介觀模擬、定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系等。第二篇為分子模擬實驗，以具體實例介紹了分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化、分子性質(zhì)的計算和分析、勢能面的構(gòu)建、化學(xué)反應(yīng)模擬、分子光譜計算、均相體系和多相體系的分子動力學(xué)模擬、固體材料表面吸附行為的Monte Carlo 模擬、粗�；敖橛^模擬、定量構(gòu)效關(guān)系預(yù)測等內(nèi)容。為了提高讀者的操作能力，本書附有一些計算實例和運行腳本，讀者可掃二維碼學(xué)習(xí)。附錄為Materials Studio、Gromacs 的簡明操作手冊，Orgin 自定義函數(shù)擬合及構(gòu)建三維勢能面、能量折線圖的方法等內(nèi)容,讀者掃描二維碼可查看。
《分子模擬》(第二版)可作為化學(xué)、化工、材料、生命科學(xué)、醫(yī)藥等專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者參考使用。
前言
《分子模擬》一書出版后，來自同行的建議和鼓舞激勵我們在2020年末著手修訂工作，希望彌補版的諸多遺憾。版中缺少分子動力學(xué)和Monte Carlo模擬的應(yīng)用實例，特別是未涉足必要的后續(xù)分析方法，而且只針對Materials Studio軟件的操作，這些可能會降低讀者使用本書學(xué)習(xí)分子模擬的熱情�？梢哉f《分子模擬》版更像是入門級的學(xué)習(xí)參考書。
在第二版中我們做了如下的改動：
原理部分：第1章緒論中模擬資源部分更新了軟件和數(shù)據(jù)庫列表，增加了分子模擬學(xué)習(xí)一節(jié)。第3章力場中增加了針對無機材料的力場（如CLAYFF力場和INTERFACE力場）、極化力場和反應(yīng)力場（如ReaxFF）的介紹。第4章能量小化中增加了應(yīng)用案例，包括分子力學(xué)方法優(yōu)化單層膜、量子力學(xué)方法優(yōu)化反應(yīng)機理，以及分子力學(xué)/量子力學(xué)（MM/QM）方法模擬酶反應(yīng)。第6章Monte Carlo模擬中增加了4個應(yīng)用案例，涉及有機小分子的吸附、沉積等內(nèi)容。第7章分子動力學(xué)模擬中，增加了對自由能、均力勢的討論，增加了5個典型的分子動力學(xué)模擬應(yīng)用案例，包括自組裝膜的潤濕性、稠油乳化等內(nèi)容；特別需要強調(diào)的是，在本章中增加了10個后續(xù)分析方法，包括徑向分布函數(shù)、空間分布函數(shù)、氫鍵、水-水角、可視化弱相互作用等，并詳細敘述了這些分析方法在Gromacs程序中的運行步驟，供讀者操作運行，而且部分分析方法附有腳本方便讀者編輯，這些內(nèi)容會大大提高讀者學(xué)習(xí)分子動力學(xué)模擬的興趣。第8章介觀模擬中，增加了4個應(yīng)用案例，更容易讓讀者明白DPD和MesoDyn兩種方法的應(yīng)用環(huán)境。本版新增加了第9章定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，描述藥物設(shè)計、材料設(shè)計中經(jīng)常用到的構(gòu)效關(guān)系方法原理，以及該方法在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用案例，如藥物設(shè)計中的3D-QSAR，材料性質(zhì)中的QSPR等。
實驗部分：第11章分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化，增加了單層自組裝膜的構(gòu)建與優(yōu)化。第13章勢能面的計算中，計算程序從Gaussian調(diào)整為DMol3，內(nèi)容也進行了優(yōu)化。第16、17章分子動力學(xué)模擬中，增加了6個典型的上機實驗，包括單分子、均相體系和非均相體系，大大豐富了Materials Studio程序的應(yīng)用范圍，對讀者使用分子動力學(xué)研究溶液、界面等的聚集行為有很好的指導(dǎo)作用。第19章粗粒化及介觀模擬中，修改了DPD模擬方法的操作，增加了約束條件下MesoDyn程序的應(yīng)用案例，可為聚合物模板下的聚集行為提供模擬思路。本版增加了第20章定量構(gòu)效關(guān)系預(yù)測苯并咪唑類緩蝕劑的性質(zhì)，重點敘述了抗腐蝕材料的設(shè)計篩選過程，詳細提供了操作步驟。上述模擬計算案例使用的是Materials Studio程序，可方便讀者實際操作軟件學(xué)習(xí)（特別是學(xué)生自學(xué)）。第21章聚集體系的分子動力學(xué)模擬，選擇Gromacs程序，涉及熱力學(xué)函數(shù)構(gòu)型熵的計算、表面活性劑膠束增溶，以及電場下的乳化油滴三個應(yīng)用案例，擴展了當(dāng)前分子動力學(xué)模擬在不同領(lǐng)域的應(yīng)用（包括非平衡分子動力學(xué)模擬），操作步驟詳細，并附部分運行腳本。第22章二氧化硅表面反應(yīng)力場分子動力學(xué)模擬中，選擇LAMMPS程序，列舉了目前流行的反應(yīng)力場的應(yīng)用案例，為相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供了研究思路。上述兩章內(nèi)容參考了已出版文獻，是分子動力學(xué)模擬的科研應(yīng)用，是專業(yè)級的學(xué)習(xí)案例。
結(jié)合分子模擬基本原理的發(fā)展歷史，以及精選的分子模擬實驗內(nèi)容，將與分子模擬相關(guān)的逸聞趣事融入其中，講述中國學(xué)者在分子模擬發(fā)展中的貢獻，將相應(yīng)的思政元素融入原理、實驗、思考題等內(nèi)容中，也是本次修訂的特點之一。
除了主要增補的上述內(nèi)容以外，書中也糾正了版中的個別疏漏。在第二版中，我們的總體思路是要告訴讀者分子模擬能夠干什么（增加應(yīng)用案例）、怎么干（具體的操作步驟），特別是一定要降低軟件使用操作門檻（附部分運行腳本），短時間內(nèi)告訴讀者軟件可能的使用范圍（增加后續(xù)分析方法）。是否能達到此目的，還需讀者檢驗。
《分子模擬》出版以來多次重印，發(fā)行量超預(yù)期，這是對我們前期工作的肯定和鼓勵，也是編寫《分子模擬》第二版的動力，當(dāng)然也從一個側(cè)面反映了分子模擬技術(shù)向更廣研究領(lǐng)域擴展的事實。分子模擬是一種技術(shù)方法，目前在材料學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域擴展迅速，很多非分子模擬專業(yè)學(xué)者也逐漸對此領(lǐng)域興趣盎然。很多大型企業(yè)、高�？蒲袉挝欢加袕氖麓朔矫嫜芯抗ぷ鞯娜藛T，希望本書能夠在快速發(fā)展的分子模擬研究過程中起到積極的推進作用。
特別感謝修訂過程中已經(jīng)或即將畢業(yè)的學(xué)生們：劉剛、延輝、劉國魁、劉沙沙、李鼎、苑士登、王雪玉、張恒銘、張震宇等，他們有的編輯了分子動力學(xué)模擬后續(xù)分析的運行腳本和程序，有的具體實際操作了實驗案例，對實驗操作步驟及案例可能的運行時間都給出了建議并做了認真的確認，為《分子模擬》第二版的出版做出了貢獻。
感謝山東大學(xué)研究生院和本科生院。自《分子模擬》出版以來，山東大學(xué)多個職能部門在教研項目等方面給予支持，并積極推薦參與或山東省教研項目申報。感謝化學(xué)與化工學(xué)院對《分子模擬》出版的大力支持。以該書為主的分子模擬課程，先后獲得或被評為山東省教學(xué)成果二等獎（2018年）、線下一流本科課程（2020年）、山東省高等教育優(yōu)秀教材（2021年）、山東省課程思政示范課程（2021年）及山東省研究生教育優(yōu)質(zhì)課程（2020年、2021年）、山東省本科教學(xué)改革研究項目（2022年）等。
感謝化學(xué)工業(yè)出版社的編輯，他們的支持促成了第二版的出版。
由于編者知識所限，盡管我們試圖從更寬視野介紹分子模擬的應(yīng)用，但書中選擇的應(yīng)用案例和實驗操作案例多數(shù)還是來自編者的科研方向，因此仍有一定的局限性，不過我們?nèi)匀幌Ｍ@些案例能夠給予讀者科研啟發(fā)。書中編輯的實驗過程等受軟硬件限制，在模擬中不可避免會出現(xiàn)模型構(gòu)建、模擬時間等方面的不匹配，希望讀者給予指正。
書中部分分子模擬案例操作及后續(xù)分析運行腳本等，已于課程網(wǎng)站上公布，供讀者參考。另有一些模擬實例和運行腳本以二維碼呈現(xiàn)，讀者可掃碼查看。
苑世領(lǐng)
2022年5月
版前言
分子模擬經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不論在基礎(chǔ)理論還是在應(yīng)用方面，都取得了巨大成就。目前分子模擬在化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域引起了理論和實驗工作者的廣泛關(guān)注。山東大學(xué)理論化學(xué)研究所自2003年為碩士、博士研究生講授分子模擬基本理論，2015年又增加了上機實驗操作內(nèi)容，授課對象也擴至本科生。我們的課程講義前后使用十余年，歷經(jīng)多次內(nèi)容更新。其中早年講義中的部分章節(jié)得到了山東大學(xué)蔡政亭教授的逐字斟酌潤色，這為此書出版打下了基礎(chǔ)。本書是在山東大學(xué)理論化學(xué)研究所多位老師多年授課所使用講義的基礎(chǔ)上整理而成的。
本書分基礎(chǔ)理論和實驗兩部分，其中基礎(chǔ)理論部分為教師和研究生、本科生學(xué)習(xí)和參考用書，實驗部分可供學(xué)生上機實習(xí)使用。理論部分包括9章內(nèi)容：第1章簡單說明分子模擬的發(fā)展歷史及其相關(guān)概念；第2章為分子模擬中的統(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ)；第3章主要包括各個力場的組成形式和應(yīng)用范圍；第4章討論了能量小化方法；第5章是本書的重點，主要闡述分子動力學(xué)和Monte Carlo方法中作用力和勢函數(shù)的處理方法；第6章和第7章分別講述了Monte Carlo 和分子動力學(xué)方法的原理及在不同系綜中的應(yīng)用；第8章列舉了現(xiàn)在流行的兩種介觀模擬方法；前八章重點闡述的是分子力學(xué)部分。第9章簡單介紹了量子力學(xué)的基本概念，此部分內(nèi)容主要參考了山東大學(xué)馮大誠教授編寫的量子化學(xué)講義。實驗部分包括9個典型的計算化學(xué)實驗，對化學(xué)中的熱點科學(xué)問題進行計算模擬，涵蓋了無機、有機、分析、高分子等多個學(xué)科領(lǐng)域，可作為基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)后的實踐練習(xí)；采用的方法包含了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電子相關(guān)理論、密度泛函理論、分子力學(xué)、分子動力學(xué)、Monte Carlo和介觀模擬等；每個實驗后均有相應(yīng)的習(xí)題，供學(xué)生練習(xí)和鞏固知識。實驗部分為研究生和本科生的重點學(xué)習(xí)內(nèi)容。
雖然在編寫過程中花費了不少精力，但是由于筆者知識和能力所限，主要素材期刊文獻來源較多，需要分析、歸納和統(tǒng)一，因此疏漏之處不可避免，敬請讀者批評指正。編著者科研方向為膠體化學(xué)中的分子模擬，因此書中的案例（相關(guān)文獻）多來自于膠體化學(xué)及相關(guān)雜志，視野略顯狹窄，但是希望以此為例對其他相關(guān)專業(yè)有借鑒作用。誠請讀者多提寶貴意見。
編著者
2016年5月
苑世領(lǐng)，山東大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，教授、博導(dǎo)，自1999年開始，為化學(xué)院本科生講授《物理化學(xué)》，并從2005年為研究生開設(shè)《分子模擬及其應(yīng)用》課程。自2000年以來從事分子模擬計算工作，先后承擔(dān)五個國家自然科學(xué)基金項目及多個油田橫向項目，發(fā)表SCI論文一百余篇。
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