MD模拟的发展趋势-3

1.3.3多尺度与介观体系的MD模拟

在不同尺度分别采用不同模型的模拟方法，并不适用所有的研究体系及其物 理化学过程。例如涡流现象，分别从连续流体力学或分子模拟角度都难以解决问 题，必须采用多尺度模拟方法［弼。在生物医药领域，药物分子发生药效的过程，涉及药物分子的溶解与运输、药物分子与蛋白质受体的相互作用、蛋白质分子的 构型变化等多个时间尺度，必须利用量子化学计算、AIMD模拟、MD模拟、粗 粒度MD模拟等方法研究。

特别是在模拟生物大分子的行为与性质时，模拟体系经常包含远超过生物分子的溶剂水分子，模拟过程中大部分计算时间消耗在对溶剂水分子的模拟上，严重制约了模拟效率的提高。但实际上，只有与生物分子直接接触的水分子，才对生物分子的结构与性质产生直接的影响，而没有与生物分子直接接触的水分子，对生物分子的结构与性质没有直接的影响。

一方面，通过引入粗粒度模型， 对溶剂水分子进行粗粒度化处理，可以降低模拟计算量、提高模拟效率ML另 一方面，如果把与生物分子没有直接接触的溶剂水分子以连续介质模型替代，实现多尺度MD模拟，可以进一步节省计算时间，提高模拟效率。事实上，与生 物分子有关的物理、化学、生物过程速度缓慢，必须演化很长时间才能达到模拟 的目标，没有功能强大的计算系统和优秀的模拟算法无法实现MD模拟的目标。 因此，多尺度MD模拟是现代分子模拟方法的重要发展方向。

在材料科学领域，虽然MD模拟是研究原子、分子在近距离运动中形成微 晶等结构的有效手段，但是利用MD模拟方法难以研究微晶排列等介观结构及 其变化［63］。全原子MD模拟是研究单个原子运动和行为的有力手段，但材料的 制备过程和服役行为与大量原子的集体运动密切相关，这是MD模拟难以实现 的目标。材料的断裂过程，涉及化学键的断裂、原子和晶界的移动、裂纹的生成 和扩散等过程，不但需要利用量子化学计算、MD模拟、连续介质力学模拟等在 多个不同尺度进行模拟，还需要研究不同尺度之间的相互耦合［68-70］。

事实上，与 材料性质密切相关的是其介观结构，而介观结构的形成时间短者在毫秒以上，长 者可达数小时甚至数天，特别是与材料的服役行为有关的过程更可长达数年到数 十年。利用模拟方法研究如此长的时空跨度内原子的运动及其对晶界结构的影 响，晶粒的生成、生长、消失，晶界的形成，不但需要功能更强大的计算系统， 更需要模拟方法、算法、理论的发展，才能适应材料科学与工程的需要。因此， 必须在需要时保持原子尺度的模拟精度，在不需要原子尺度的精度时以更宏观的 介观或连续介质模型近似模拟对象。利用MD模拟研究发生在原子层面的现象, 用连续介质模型研究宏观层面的现象，并用粗粒度模型把分子力场模型和连续介质模型有机地结合起来。这样的模拟，不但是对体系模型和模拟算法的考验，也是对模拟理论的考验，是MD模拟发展的重要研究方向。