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标题: 求助：BOMD和MD理论差别 [打印本页]

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Author: hdhxx123 时间: 2021-3-11 10:40
标题: 求助：BOMD和MD理论差别
本帖最后由 hdhxx123 于 2021-3-11 10:42 编辑

老师们好，计算时用了GFN0-xtb做MD计算，看了论坛里Sob老师说是属于BOMD，找到了MD的计算原理以及GFN0-xtb原文献，但是写文章时不知道BOMD与其差别如何，谢谢老师们！

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Author: 阳光下的尘 时间: 2021-3-11 10:58
只知道片面，
经典MD是基于力场的，应用力场能够计算大体系，但存在经验性、弱拓展性等缺点，且无法更细节的表示原子间的相互作用
BOMD是从第一性原理出发的，基于使用的基组和赝势，便于更精细计算原子间相互作用，但计算分子量较小

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Author: hdhxx123 时间: 2021-3-11 11:03

阳光下的尘发表于 2021-3-11 10:58
只知道片面，
经典MD是基于力场的，应用力场能够计算大体系，但存在经验性、弱拓展性等缺点，且无法更细节 ...

谢谢老师，我在谷歌scholar上查BOMD+gfn但是没有找到原理介绍得很清晰的文献，请问您有看过BOMD原理介绍得比较好的文献吗

作者
Author: 我本是个娃娃 时间: 2021-3-11 11:35

hdhxx123 发表于 2021-3-11 11:03
谢谢老师，我在谷歌scholar上查BOMD+gfn但是没有找到原理介绍得很清晰的文献，请问您有看过BOMD原理介绍 ...

可以参考一下Gaussian说明书里的这一段。
(, 下载次数 Times of downloads: 45)

作者
Author: k64_cc 时间: 2021-3-11 12:07
BOMD与MD没有差别，MD包含BOMD。

至于你跑的东西就不知道了。

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Author: hdhxx123 时间: 2021-3-11 12:10

我本是个娃娃发表于 2021-3-11 11:35
可以参考一下Gaussian说明书里的这一段。

谢谢老师，我找到了《Modern methods for multidimensional dynamics computations in chemistry》p157的BO近似分类的第二种即Normal Mode Intergration，以及gfn0-xtb中的对应部分，在下图中可以看到，所以我认为GFN0-xtb是Normal Mode Intergration的BO近似可以吗

作者
Author: wuzhiyi 时间: 2021-3-11 21:13
BOMD就是一般的MD
BOMD这词出来因为有CPMD
当年的计算资源不能直接算MD，所以就搞了CPMD，然后为了和正常的MD区分开来就把正常的MD说成是BOMD了

作者
Author: granvia 时间: 2021-3-11 21:21
楼上都是乱说。MD是所有分子动力学统称，包含BOMD。BOMD基于的是BO近似。某些场合需要考虑原子核的波函数（如超低温下氦的相变），则不能用BOMD描述，但仍属MD

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Author: hdhxx123 时间: 2021-3-11 21:28

wuzhiyi 发表于 2021-3-11 21:13
BOMD就是一般的MD
BOMD这词出来因为有CPMD
当年的计算资源不能直接算MD，所以就搞了CPMD，然后为了和正常 ...

老师，那我有点疑惑，因为像gromacs和lammps这样的md都是要选择力场，而像GFN-xtb这类较新的方法在使用时没有这么多的力场去选择，我因为是初学者都不是很懂这些分类，想咨询一下有没有什么较为简单易懂的判别方式，比如符合什么条件或有什么特征的是BOMD或更精确一点的分类如AIMD？

作者
Author: wxhwbh 时间: 2021-3-11 21:34
本帖最后由 wxhwbh 于 2021-3-11 21:37 编辑

首先你要知道严格来说，分子的核和电子都是用波函数描述的。只是核的质量一般远大于电子，所以可以近似看成一个经典的粒子，也就是运动满足牛顿方程（严格来说是哈密顿方程）：
dx/dt=p/m
dp/dt=F
于是我们就可以通过将核进行含时演化，拿到体系的统计或动力学效应。这就是分子动力学MD的基本思想。
而MD的关键在于核的受力F上。因为一般电子已经处理成势能面，并且不同电子态的势能面一般相隔比较远（即所谓绝热状态），因此可以只考虑目前所在的这个电子态（经常考虑的是基态）的势能面，这就是B-O近似。受力就是这个势能面的负梯度：
F=-dV/dx
这样随便给一个位置，就能计算核的受力，进而实现核的演化。所以把这种方法称为BOMD，也就是核只在一个势能面上运动。
势能面可以是从头算计算的（这种时候也称为AIMD），但一般很耗时。对于大体系（比如蛋白质等生物体系）一般是用提前拟合好的经验力场，这样速度很快，虽然精度不高。
CPMD的原理稍有不同，可参考相关文献。

作者
Author: hdhxx123 时间: 2021-3-11 21:44
本帖最后由 hdhxx123 于 2021-3-11 21:47 编辑

wxhwbh 发表于 2021-3-11 21:34
首先你要知道严格来说，分子的核和电子都是用波函数描述的。只是核的质量一般远大于电子，所以可以近似看成 ...

老师您这么说我大概有点清晰了，但其中有一个条件我有些疑惑，即“不同电子态的势能面一般相隔较远”这一点在元素周期表偏后区域，如镧系锕系或是对一些从量子力学角度来说某些多重态下势能面易频繁交叉的体系也依然成立吗？如果不成立的话那MD在这些方面就无法很好描述了是吗？我这些疑惑可能是因为基础太差，不太理解电子态的含义，请您见谅

作者
Author: wxhwbh 时间: 2021-3-11 22:40
本帖最后由 wxhwbh 于 2021-3-11 22:41 编辑

hdhxx123 发表于 2021-3-11 21:44
老师您这么说我大概有点清晰了，但其中有一个条件我有些疑惑，即“不同电子态的势能面一般相隔较远”这一 ...

如果涉及势能面交叉，B-O近似就失效了，这种时候传统的BOMD当然不适用，而应该在动力学过程里考虑所谓非绝热效应，称为非绝热动力学。这种现象不止发生在周期表后期的元素，很多重要的有机光化学反应都涉及非绝热过程。
非绝热动力学理论方法恰好是本人研究方向之一。另外我的专栏（http://bbs.keinsci.com/thread-21533-1-1.html）后期也会介绍非绝热动力学。

作者
Author: sobereva 时间: 2021-3-12 01:24
这里我给你个准确而且general的说法，让你有个正确的大框架：

MD是模拟过程中考虑粒子随时间运动的研究方式的统称。你1L截图里1.4.1节第一句话就根本不恰当，作者要么不知道AIMD，要么就是对当前语境有很非常狭隘的假定。

做MD必然要通过某些方式考虑粒子之间的相互作用，这样才能得到计算运动方程所需要的信息，粒子才能动起来。

对于独立描述原子核和电子的各种量子化学方法（有些场合也称第一性原理方法），诸如最典型、最流行的KS-DFT，做MD通常分成BOMD、CPMD，另外还有不流行的ADMP、以及后来发展的所谓的第二代CPMD这些具体形式。现在通常用的都是BOMD，原理极为简单，即根据量子化学方法计算每一步的核受力，然后按照中学学过的牛顿运动方程描述原子核的运动，每一步的电子结构都通过SCF达到自洽。而CPMD则分开描述原子核的运动和电子波函数的运动，形式复杂，早期为了节约计算量用得多，目前流行度远不如BOMD。GFN-xTB属于半经验层面的KS-DFT，目前只能基于BOMD这一种形式做MD。基于KS-DFT，以及各种波函数方法（如后HF）做这些动力学，往往统称为Ab initio molecular dynamics (AIMD，从头算动力学)，基于KS-DFT做这些动力学算周期性体系有时也被称为第一性原理动力学。基于诸如PM6、GFN-xTB、DFTB+这些半经验层面的方法做动力学，虽然用AIMD这个词有点牵强，毕竟这些方法里面引入了大量经验参数，但为了表述方便往往也被算作AIMD（此时的AIMD就泛指基于量子力学方法的分子动力学了）。

对于基于经典力场诸如AMBER、GROMOS、UFF的动力学模拟，以及近些年发展的大量机器学习势，原子被作为一个整体考虑，也就自然没有上面的BOMD、CPMD之类的区分，这叫做基于经典力场的分子动力学。一般基于经典力场做MD用的是牛顿运动方程描述原子（或原子团，对于联合原子力场以及粗粒化力场而言）的运动。从表面上看，这和基于量子化学方法做BOMD的差异仅在于一个是用经典力场的势函数算受力，一个是基于量子力学方法算受力，也可以说是在不同方法描述的势能面下做动力学。基于经典力场还有其它动力学形式，诸如朗之万动力学。

上面谈的模拟都还没有牵扯到核的量子效应，都是把核当做经典粒子看待的，可以叫做经典动力学。如果需要考虑核的量子效应，又有各种概念，直接引用ppt：
(, 下载次数 Times of downloads: 73)

核的量子效应针对不同实际问题有很多具体不同的考虑方式和具体实现，这是个很大的领域，就不展开说了，不是你现阶段需要关注的。

作者
Author: hdhxx123 时间: 2021-3-12 09:15
本帖最后由 hdhxx123 于 2021-3-12 09:20 编辑

sobereva 发表于 2021-3-12 01:24
这里我给你个准确而且general的说法，让你有个正确的大框架：

MD是模拟过程中考虑粒子随时间运动的研究 ...

谢谢Sob老师，我想借题问一下一些实验相关的问题：比如，如果我想探究在薄膜形成过程中，高分子聚合物被不同方式或速度剪切下的形态及分布对薄膜的各项力学及热力学指标影响，有没有可能通过动力学模拟的方式去研究？在老师您上面的描述中，我有一个很大的疑惑就是，所谓的经典力场和量子力学讨论它在宏观现象中可能是在所探究事物的不同阶段贡献是不同的，那么面对一个不好界定范围的现实体系来说，一般分子动力学模拟是如何去处理此类事物的呢？

作者
Author: wxhwbh 时间: 2021-3-12 14:52
本帖最后由 wxhwbh 于 2021-3-12 14:58 编辑

sobereva 发表于 2021-3-12 01:24
这里我给你个准确而且general的说法，让你有个正确的大框架：

MD是模拟过程中考虑粒子随时间运动的研究 ...

其实一般我们把semiclassical认为是核量子效应保留到\hbar一阶的近似，差不多就是路径积分里只考虑围绕经典路径附近的一些路径。比如说SC-IVR，LSC-IVR，CMD/RPMD，ELD/ECD/EHD/PILD等量子动力学方法。
surface hopping跟这个其实关系不大，毕竟SH在每一个势能面里的受力依旧是经典的。不过如果初始分布是量子的（比如Wigner）倒是也可以算

作者
Author: sobereva 时间: 2021-3-13 05:51

hdhxx123 发表于 2021-3-12 09:15
谢谢Sob老师，我想借题问一下一些实验相关的问题：比如，如果我想探究在薄膜形成过程中，高分子聚合物被 ...

一般这种问题基于AIMD跑不动，普遍都是通过基于经典力场的动力学研究的，这种一搜一大把

作者
Author: hdhxx123 时间: 2021-3-13 08:14

sobereva 发表于 2021-3-13 05:51
一般这种问题基于AIMD跑不动，普遍都是通过基于经典力场的动力学研究的，这种一搜一大把

谢谢老师

作者
Author: hdhxx123 时间: 2021-3-25 20:33

sobereva 发表于 2021-3-12 01:24
这里我给你个准确而且general的说法，让你有个正确的大框架：

MD是模拟过程中考虑粒子随时间运动的研究 ...

老师您好，最近在看文献时看到用LAMMPS做“非平衡动力学（non-equilibrium molecular dynamics
simulations）”和“continuum micromechanics”，这又是什么动力学呢？跟您以上谈论的动力学不是一种分类吗？

作者
Author: sobereva 时间: 2021-3-26 09:18

hdhxx123 发表于 2021-3-25 20:33
老师您好，最近在看文献时看到用LAMMPS做“非平衡动力学（non-equilibrium molecular dynamics
simulati ...

非平衡动力学是指模拟状态处于未平衡的情况，看具体语境，诸如给体系部分原子加外力、外电场等扰动。

continuum micromechanics不清楚，不是常见词汇。

作者
Author: Daniel_Arndt 时间: 2021-3-27 08:45

hdhxx123 发表于 2021-3-12 09:15
谢谢Sob老师，我想借题问一下一些实验相关的问题：比如，如果我想探究在薄膜形成过程中，高分子聚合物被 ...

高分子聚合物的话，普通的分子动力学可能有点难处理。我看过的做高分子的文章，一般都是用耗散粒子动力学来做的。南大的汪蓉老师用耗散粒子动力学处理过高分子的一些问题，但我没注意是不是涉及到薄膜。南大的胡文兵老师主要做高分子结晶，但我印象里他做过一个涉及到剪切的东西。胡文兵老师都是自己写的代码，具体是用的什么方法我不清楚。

作者
Author: hdhxx123 时间: 2021-3-27 09:06

Daniel_Arndt 发表于 2021-3-27 08:45
高分子聚合物的话，普通的分子动力学可能有点难处理。我看过的做高分子的文章，一般都是用耗散粒子动力学 ...

感谢大佬指路，可能我没有表述清楚，其实我想问的是对聚合物本体与界面间相互作用的研究方式，剪切可能只是一种表征手段，还有诸如Tg等侧面反应聚合物性质的表征方法都是可以的

作者
Author: hdhxx123 时间: 2021-3-28 07:32

sobereva 发表于 2021-3-26 09:18
非平衡动力学是指模拟状态处于未平衡的情况，看具体语境，诸如给体系部分原子加外力、外电场等扰动。

...

谢谢老师！

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