《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原理，如統(tǒng)計力學、力場、能量最小化和量子化學等內(nèi)容的基礎上，介紹了一些模擬基本方法，如Monte Carlo 模擬、分子動力學模擬、介觀模擬、定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關系等。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、化學反應模擬、分子光譜計算、均相體系和多相體系的分子動力學模擬、固體材料表面吸附行為的Monte Carlo 模擬、粗粒化及介觀模擬、定量構(gòu)效關系預測等內(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，讀者可掃二維碼學習。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、化工、材料、生命科學、醫(yī)藥等專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可供相關領域的科研工作者參考使用。
苑世領，山東大學化學化工學院，教授、博導，自1999年開始，為化學院本科生講授《物理化學》，并從2005年為研究生開設《分子模擬及其應用》課程。自2000年以來從事分子模擬計算工作，先后承擔五個國家自然科學基金項目及多個油田橫向項目，發(fā)表SCI論文一百余篇。
第一篇分子模擬原理/1
第1章緒論2
1.1分子模擬基本概念2
1.1.1坐標系4
1.1.2分子圖形5
1.1.3分子表面6
1.1.4原子模型和粗粒模型6
1.1.5模擬方法7
1.2分子模擬發(fā)展史9
1.2.1早期的剛性球勢和Lennard-Jones勢9
1.2.2小的非極性分子9
1.2.3極性分子和離子10
1.2.4鏈分子和聚合物10
1.2.5分子模擬中的系綜10
1.2.6多體相互作用10
1.2.7非平衡分子動力學模擬11
1.3分子模擬軟件和資源11
1.4分子模擬學習方法17
參考文獻19
第2章統(tǒng)計力學基礎21
2.1統(tǒng)計力學基本原理21
2.1.1系綜21
2.1.2熱力學平均22
2.1.3其他漲落熱力學性質(zhì)23
2.1.4輸運系數(shù)26
2.2粒子動力學26
2.2.1非約束粒子的運動26
2.2.2受約束粒子的運動27
2.2.3位力定理31
參考文獻31
第3章力場32
3.1勢函數(shù)33
3.2簡正模式34
3.2.1特征運動34
3.2.2分子光譜35
3.2.3光譜與力常數(shù)35
3.3簡單體系的分子力場36
3.4勢能函數(shù)的具體形式37
3.4.1鍵伸縮勢38
3.4.2鍵角彎曲勢39
3.4.3二面角扭轉(zhuǎn)勢40
3.4.4離平面的彎曲勢42
3.4.5交叉項43
3.4.6van der Waals勢44
3.4.7靜電相互作用45
3.4.8氫鍵勢46
3.5常見的力場47
3.5.1OPLS力場47
3.5.2ECEPP/3力場48
3.5.3AMBER力場48
3.5.4CHARMM力場48
3.5.5MM3力場49
3.5.6CFF力場50
3.5.7通用力場51
3.5.8COMPASS力場51
3.6聯(lián)合原子和約化處理52
3.7粗粒力場53
3.7.1MARTINI力場53
3.7.2從全原子到粗粒模型55
3.8多體勢56
3.9水分子力場57
3.9.1簡單水分子模型57
3.9.2可極化水分子模型59
3.10無機材料力場59
3.10.1CLAYFF力場59
3.10.2INTERFACE力場60
3.11極化力場60
3.12反應力場62
3.13選擇力場65
3.13.1力場的命名66
3.13.2力場的發(fā)展趨勢66
3.13.3如何選擇力場67
參考文獻68
附表力場簡介71
第4章能量最小化74
4.1勢能面74
4.2勢函數(shù)的極小值75
4.3非導數(shù)求極值法77
4.3.1單純形法77
4.3.2按序單坐標逼近法78
4.4導數(shù)求極值法79
4.5一級導數(shù)求極值法80
4.5.1最速下降法80
4.5.2共軛梯度法83
4.6二級導數(shù)求極值法85
4.6.1牛頓-拉森法85
4.6.2準牛頓-拉森法86
4.6.3沿對角線分塊牛頓-拉森法87
4.7能量最小化方法的選擇和收斂性判據(jù)87
4.8過渡態(tài)結(jié)構(gòu)與反應路徑88
4.8.1鞍點和二次區(qū)域89
4.8.2搜尋鞍點90
4.8.3反應路徑91
4.9溶劑化效應92
4.10應用實例93
4.10.1硅表面上烷烴自組裝膜93
4.10.2AOT分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)95
4.10.3催化反應中的QM/MM方法96
4.10.4化學反應機理99
參考文獻102
第5章模擬中的基本原理104
5.1短程相互作用105
5.1.1相互作用力105
5.1.2周期邊界條件 105
5.1.3非周期邊界方法106
5.1.4最近鏡像方法107
5.1.5近鄰列表108
5.1.6連鎖格子方法109
5.1.7后續(xù)處理問題110
5.2長程相互作用113
5.2.1Ewald求和法113
5.2.2反應場方法116
5.2.3PPPM方法118
5.2.4樹狀方法119
5.3模擬過程121
5.3.1選擇初始構(gòu)型122
5.3.2判斷平衡123
5.3.3模擬結(jié)果和偏差分析125
參考文獻126
第6章Monte Carlo 模擬128
6.1Monte Carlo模擬中的配分函數(shù)128
6.2Monte Carlo原理130
6.2.1函數(shù)積分130
6.2.2Metropolis取樣和Markov鏈131
6.3基本Monte Carlo模擬133
6.3.1算法134
6.3.2平動134
6.3.3取向運動135
6.4不同系綜中的Monte Carlo模擬140
6.4.1正則系綜140
6.4.2等溫等壓系綜141
6.4.3巨正則系綜143
6.4.4微正則系綜143
6.5應用實例145
6.5.1蛋白質(zhì)與弱聚電解質(zhì)相互作用145
6.5.2云母表面吸附水分子146
6.5.3冰表面氯代甲烷的吸附148
6.5.4有機分子的模板誘導沉積149
參考文獻152
第7章分子動力學模擬153
7.1積分運動等式153
7.2Verlet預測方法154
7.2.1Verlet算法154
7.2.2蛙跳Verlet算法155
7.2.3速度Verlet算法155
7.2.4Beeman算法156
7.3Gear預測校正方法156
7.3.1基本的Gear算法156
7.3.2Gear算法的改進方法157
7.4分子體系中的積分方法157
7.4.1小分子158
7.4.2大分子158
7.5不同系綜中的分子動力學163
7.5.1微正則系綜163
7.5.2正則系綜164
7.5.3恒壓恒焓系綜168
7.5.4等壓等溫系綜170
7.5.5巨正則系綜171
7.6相關函數(shù)173
7.6.1時間相關函數(shù)173
7.6.2空間相關函數(shù)176
7.6.3輸運性質(zhì)176
7.7自由能178
7.7.1熱力學微擾法178
7.7.2熱力學積分法179
7.7.3緩慢生長法179
7.7.4計算實例180
7.8均力勢181
7.8.1傘式抽樣181
7.8.2應用實例182
7.9性質(zhì)分析183
7.9.1熱力學性質(zhì)183
7.9.2徑向分布函數(shù)184
7.9.3空間分布函數(shù)185
7.9.4擴散系數(shù)185
7.9.5氫鍵185
7.9.6弛豫時間186
7.9.7表面張力187
7.9.8水-水角188
7.9.9弱相互作用188
7.9.10均力勢（傘式抽樣）189
7.10應用實例190
7.10.1硅表面上自組裝膜的潤濕性190
7.10.2表面活性劑膠束化過程中的熵驅(qū)動191
7.10.3親油固體表面的潤濕翻轉(zhuǎn)193
7.10.4納米孔道中聚合物的運移（非平衡分子動力學模擬）196
7.10.5單晶硅表面的氧化反應（反應力場分子動力學模擬）198
參考文獻200
第8章介觀模擬203
8.1耗散粒子動力學模擬203
8.1.1基本原理203
8.1.2步幅和噪聲選擇206
8.1.3排斥參數(shù)選擇207
8.1.4Flory-Huggins參數(shù)選擇208
8.1.5應用實例209
8.2介觀動力學模擬212
8.2.1熱力學部分213
8.2.2動力學部分215
8.2.3參數(shù)部分216
8.2.4應用實例217
參考文獻219
第9章定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關系221
9.1定量構(gòu)效關系221
9.2典型結(jié)構(gòu)參數(shù)222
9.2.1辛醇-水分配系數(shù)222
9.2.2Hammett取代基常數(shù)223
9.2.3量子化學參數(shù)224
9.2.4分子拓撲指數(shù)224
9.2.5其他結(jié)構(gòu)參數(shù)225
9.3數(shù)學方法226
9.3.1回歸分析227
9.3.2多元統(tǒng)計分析231
9.3.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法234
9.4應用實例237
9.4.1抗真菌藥物的分子設計237
9.4.2分子對接與3D-QSAR238
9.4.3預測CO2與原油的最小混相壓力240
參考文獻242
第10章量子化學244
10.1Schrdinger方程244
10.1.1Born-Oppenheimer近似245
10.1.2單電子近似246
10.1.3原子軌道線性組合近似247
10.1.4Roothaan方程247
10.2電子相關和后HF方法248
10.2.1組態(tài)相互作用249
10.2.2多體微擾方法250
10.3密度泛函理論251
10.4基函數(shù)（基組）的選擇253
10.4.1LCAO254
10.4.2STO（Slater type orbital）254
10.4.3雙ζ及三ζ基254
10.4.4GTO（Gaussian type orbital）255
10.4.5簡縮的Gaussian基組255
10.4.6分裂價基256
10.5半經(jīng)驗分子軌道方法256
10.5.1全略微分重疊方法（CNDO）257
10.5.2間略微分重疊方法（INDO）257
10.5.3忽略雙原子微分重疊方法（NDDO）257
參考文獻258
第二篇分子模擬實驗/259
第11章分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化260
11.1分子模型的繪制260
11.2分子構(gòu)型優(yōu)化262
11.3復雜分子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建264
11.3.1聚合物模型的構(gòu)建265
11.3.2晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建267
11.4自組裝單層膜的構(gòu)建與優(yōu)化269
思考題271
第12章分子性質(zhì)的計算和分析273
12.1分子軌道等值面圖273
12.2總電子密度圖276
12.3靜電勢圖276
12.4電荷分布圖278
12.5分子表面279
思考題280
第13章勢能面的構(gòu)建281
13.1鍵解離勢能曲線的掃描282
13.2分子間相互作用勢能曲線的掃描286
13.3分子的構(gòu)象搜索288
13.4化學反應的勢能曲線291
思考題293
第14章化學反應模擬296
14.1計算化學反應的自由能296
14.2優(yōu)化搜索過渡態(tài)300
思考題304
第15章分子光譜計算306
15.1紅外和拉曼光譜306
15.2紫外可見光譜310
15.3X射線衍射光譜315
思考題318
第16章均相體系的分子動力學模擬319
16.1分子及團簇——丙氨酸二肽體系320
16.2均相體系——液態(tài)水325
思考題331
第17章多相體系的分子動力學模擬333
17.1氣液界面——水/氣體系333
17.2固液界面——石墨烯表面水層336
17.3固液界面——自組裝單層膜表面水層339
17.4固氣界面——金屬表面的自組裝膜341
思考題342
第18章固體材料表面吸附行為的Monte Carlo模擬345
18.1吸附等溫線345
18.2吸附構(gòu)型349
18.3吸附動力學350
思考題352
第19章粗�；敖橛^模擬353
19.1生物膜的粗�；M353
19.2DPD方法模擬表面活性劑在溶液中的聚集行為361
19.3MesoDyn方法模擬嵌段共聚物的相行為366
19.4MesoDyn方法模擬受限狀態(tài)下的聚集結(jié)構(gòu)368
思考題370
第20章定量構(gòu)效關系預測苯并咪唑類緩蝕劑的性質(zhì)372
思考題377
第21章聚集體系的分子動力學模擬378
21.1表面活性劑分子的構(gòu)型熵378
21.2膠束增溶383
21.3電場下的乳化油滴390
思考題396
參考文獻397
第22章二氧化硅表面反應力場分子動力學模擬398
思考題403
參考文獻403
附錄404
附錄ⅠMaterials Studio軟件簡介404
附錄ⅡGromacs軟件簡介404
附錄ⅢOrigin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404
第一版后記405
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