案例展示！案例精选之均方位移篇（附常见问题说明）

一、均方位移

研究方向：分子模拟

概念解释：

均方位移（Mean Square Displacement, MSD），指的是粒子随时间移动后的位置相对于参考位置的偏差的量度。当观测时间趋于无穷大时，MSD与极限观测时间成正比。在统计力学中其定义为t时刻的系综平均，公式为

式中，N为粒子数，t为时间，

为目标粒子在t时间内经过的矢量距离，

为平衡后的系综平均。

MSD的斜率是扩散系数RDC（Running Diffusion Constant, RDC），公式为：

即

目的：说明粒子扩散的速度。

二、案例展示

不同热力学条件下乙醇浓度对甲烷水合物分解的影响

左上图是不同浓度的乙醇溶液中甲烷水合物体系中甲烷分子的MSD。随着模拟时长的增加，MSD先缓慢上升，后迅速上升。在甲烷水合物未分解的6 ns前，40 mol%体系的MSD最高。从右上图可以看出在6 ns前40 mol%体系的扩散系数最大，说明40 mol%体系的分解速度最快，40 mol%乙醇溶液对水合物分解的影响最大。

左上图为267.15 - 302.15 K和200 bar条件下，40 mol%乙醇的甲烷水合物体系中甲烷分子在0 - 10 ns内的MSD。267.15 K和272.15 K的MSD几乎没有变化，说明水合物是稳定的。其他温度的体系的MSD随着模拟时长的增加先缓慢上升，然后迅速上升。且随着温度的升高，MSD值增大，说明温度越高甲烷分子越容易从水合物笼中逸出，分解速率越快。

本项目仅提供常规图与数据文件。

三、计算方案要求

可能存在的风险：

模拟计算的结构、条件均是严格意义上的、理想的，实际条件或许更为复杂可能计算结果不完全与实验结果趋势相一致。

技术难点：

依据具体体系、体系大小有关。例如分子链结构建模、力场优化等。

四、常见问题

问题一

1.我的实验条件是常温常压，为何弛豫时NPT系综，跑动力学时使用NVT系综呢？

具体情况具体分析。这种情况一般是NPT弛豫来获得稳定尺寸的盒子，模拟相互作用时使用等温等体积系综。

问题二

2.软件的使用涉及版权问题吗？

如果使用常见的Gromacs, LAMMPS等开源软件来做模拟无需考虑版权问题；但如果使用Materials Studio等商业软件则需考虑版权问题。需注意涉及分子优化的过程，可能涉及Gaussian等商业软件。

问题三

3.分子模拟中非键相互作用包括什么？力场使用的哪个呢？

具体情况具体分析。这种情况一般是NPT弛豫来获得稳定尺寸的盒子，模拟相互作用时使用等温等体积系综。

问题四

4.我的MSD结果数据不是直线，我要如何计算斜率呢？

计算扩散系数需要取MSD的线性部分，可自行截取，斜率数值大的扩散速度快。

问题五

5.交付的结果中是否包含了模型的可视化轨迹文件？

可以提供模型的轨迹文件，方便您后期可以使用可视化软件（VMD）进行出图调整。

问题六

6.需要提供哪些信息呢？

温度压强；体系中各物质的分子结构，可提供cdx文件或者手画的也可以；体系中各物质数目比例，需将其换算成摩尔比；如有指定的分子相互作用位点也请给出。

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