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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