分子模拟——理论与实验 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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苑世领，张恒，张冬菊 著

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• 分子模拟
• 计算化学
• 材料科学
• 物理化学
• 化学工程
• 分子动力学
• 蒙特卡洛方法
• 理论化学
• 模拟方法
• 计算材料学

出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122277084

版次：1

商品编码：11976263

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-10-01

用纸：胶版纸

页数：290

字数：464000

正文语种：中文

内容简介

《分子模拟——理论与实验》篇主要介绍分子模拟技术基础理论，内容涉及量子力学方法和分子力学方法，其中重点介绍了基于分子力学的分子动力学模拟的基本理论和实际应用。第二篇为9个有代表性的实验，内容涉及无机、有机、胶化、高分子等学科，可供读者亲自上机操作，重在帮助学生从分子层次上理解化学物质的结构�残阅芄叵怠⒍�力学性质和反应特性等，培养学生采用分子模拟技术解决化学问题的能力，并激发学生的科研兴趣。
《分子模拟——理论与实验》可供从事计算化学的科研工作者使用，也可作为化学化工专业本科生、研究生的教材。

作者简介

苑世领，山东大学化学化工学院，副院长，教授、博导，自1999年开始，为化学院本科生讲授《物理化学》，并从2005年为研究生开设《分子模拟及其应用》课程。
自2000年以来从事分子模拟计算工作，先后承担五个国家自然科学基金项目及多个油田横向项目，发表SCI论文一百余篇。

目录

第一篇分子模拟理论基础/1
第1章绪论2
1.1分子模拟2
1.2基本概念4
1.2.1坐标系4
1.2.2分子图形5
1.2.3分子表面5
1.2.4原子模型和粗粒模型7
1.2.5模拟方法8
1.3分子模拟历史9
1.3.1早期的刚性球势和Lennard�睯ones势9
1.3.2小的非极性分子10
1.3.3极性分子和离子10
1.3.4链分子和聚合物10
1.3.5分子模拟中的系综10
1.3.6多体相互作用11
1.3.7非平衡分子动力学模拟11
1.4模拟资源12
参考文献15
第2章统计力学基础17
2.1统计力学基本原理17
2.1.1系综17
2.1.2热力学平均18
2.1.3其他涨落热力学性质19
2.1.4输运系数21
2.2粒子动力学22
2.2.1非约束粒子的运动22
2.2.2受约束粒子的运动23
2.2.3维里定理27
参考文献27
第3章力场28
3.1势函数29
3.2简正模式30
3.2.1特征运动30
3.2.2分子光谱31
3.2.3光谱与力常数31
3.3简单体系的分子力场32
3.4势能函数的具体形式33
3.4.1键伸缩势34
3.4.2键角弯曲势35
3.4.3二面角扭转势36
3.4.4离平面的弯曲势38
3.4.5交叉项40
3.4.6van der Waals势40
3.4.7静电相互作用41
3.4.8氢键势43
3.5常见的力场43
3.5.1OPLS力场44
3.5.2ECEPP/3力场44
3.5.3AMBER力场45
3.5.4CHARMM力场45
3.5.5MM3力场46
3.5.6CFF力场47
3.5.7通用力场48
3.5.8COMPASS力场48
3.6联合原子和约化处理49
3.7粗粒力场50
3.7.1MARTINI力场50
3.7.2从全原子到粗粒模型52
3.8多体势53
3.9水分子力场54
3.9.1简单水分子模型54
3.9.2可极化水分子模型56
3.10选择力场56
3.10.1力场的命名56
3.10.2力场的发展趋势57
3.10.3如何选择力场57
参考文献58
第4章能量最小化64
4.1势能面64
4.2势函数的极小值65
4.3非导数求极值法67
4.3.1单纯形法67
4.3.2按序单坐标逼近法68
4.4导数求极值法69
4.5一级导数求极值法70
4.5.1最速下降法70
4.5.2共轭梯度法74
4.6二级导数求极值法75
4.6.1牛顿�怖�森法75
4.6.2准牛顿�怖�森法76
4.6.3沿对角线分块牛顿�怖�森法77
4.7能量最小化方法的选择和收敛性判据77
4.8过渡态结构与反应路径78
4.8.1鞍点和二次区域79
4.8.2搜寻鞍点81
4.8.3反应路径82
4.9溶剂化效应83
参考文献84
第5章模拟中的基本原理85
5.1短程相互作用86
5.1.1相互作用力86
5.1.2周期边界条件 86
5.1.3非周期边界方法87
5.1.4最近镜像方法88
5.1.5近邻列表89
5.1.6连锁格子方法90
5.1.7后续处理问题91
5.2长程相互作用94
5.2.1Ewald求和法95
5.2.2反应场方法98
5.2.3PPPM方法100
5.2.4树状方法101
5.3模拟过程103
5.3.1选择初始构型104
5.3.2判断平衡104
5.3.3模拟结果和偏差分析107
参考文献108
第6章Monte Carlo 模拟110
6.1Monte Carlo模拟中的配分函数110
6.2Monte Carlo原理112
6.2.1函数积分112
6.2.2Metropolis取样和Markov链113
6.3基本Monte Carlo模拟115
6.3.1算法116
6.3.2平动116
6.3.3取向运动117
6.4不同系综中的Monte Carlo模拟121
6.4.1正则系综122
6.4.2等温等压系综123
6.4.3巨正则系综125
6.4.4微正则系综125
参考文献126
第7章分子动力学模拟128
7.1积分运动等式128
7.2Verlet预测方法129
7.2.1Verlet算法129
7.2.2蛙跳Verlet算法130
7.2.3速度Verlet算法130
7.2.4Beeman算法131
7.3Gear预测校正方法131
7.3.1基本的Gear算法131
7.3.2Gear算法的改进方法132
7.4分子体系中的积分方法132
7.4.1小分子133
7.4.2大分子133
7.5不同系综中的分子动力学138
7.5.1微正则系综138
7.5.2正则系综139
7.5.3恒压恒焓系综143
7.5.4等压等温系综145
7.5.5巨正则系综146
7.6相关函数148
7.6.1时间相关函数148
7.6.2空间相关函数150
7.6.3输运性质151
参考文献152
第8章介观模拟155
8.1耗散粒子动力学模拟155
8.1.1基本原理155
8.1.2如何选择步幅和噪声158
8.1.3如何选择排斥参数159
8.1.4如何选择Flory�睭uggins参数160
8.1.5DPD在胶体化学中的应用实例161
8.2介观动力学模拟162
8.2.1热力学部分163
8.2.2动力学部分165
8.2.3参数部分166
8.2.4介观动力学在聚合物溶液中的应用实例166
参考文献167
第9章量子化学168
9.1Schr dinger方程168
9.1.1Born-Oppenhemer近似169
9.1.2单电子近似170
9.1.3原子轨道线性组合近似171
9.1.4Roothaan方程171
9.2电子相关和后HF方法172
9.2.1组态相互作用173
9.2.2多体微扰方法174
9.3密度泛函理论176
9.4基函数（基组）的选择177
9.4.1LCAO178
9.4.2STO（Slater type orbital）178
9.4.3双ζ及三ζ基178
9.4.4GTO（Gaussian type orbital）179
9.4.5简缩的Gaussian基组179
9.4.6分裂价基180
9.5半经验分子轨道方法181
9.5.1全略微分重叠方法（CNDO）181
9.5.2间略微分重叠方法（INDO）182
9.5.3忽略双原子微分重叠方法（NDDO）182
参考文献182
第二篇分子模拟实验/183
第10章分子模型的创建与优化184
10.1分子模型的绘制184
10.2分子构型优化186
10.3复杂分子结构的创建189
思考题191
第11章分子轨道的计算和分析193
11.1分子轨道等值面图193
11.2总电子密度图196
11.3静电势图196
11.4电荷分布图198
11.5分子表面199
思考题201
第12章势能面计算202
12.1键的断裂203
12.2分子间的弱相互作用206
12.3分子构象搜索209
12.4化学反应势能面扫描213
思考题215
第13章化学反应模拟216
13.1计算化学反应的自由能216
13.2优化搜索过渡态220
思考题225
第14章分子光谱计算226
14.1红外和拉曼光谱226
14.2紫外可见光谱230
14.3X射线衍射光谱235
第15章溶液行为的分子动力学模拟239
思考题244
第16章固体材料表面吸附行为的Monte Carlo模拟245
16.1吸附等温线245
16.2吸附构型249
16.3吸附动力学250
思考题252
第17章表面活性剂聚集行为的介观模拟253
17.1DPD方法模拟表面活性剂在溶液中的聚集行为253
17.2Mesodyn方法模拟嵌段共聚物的相行为256
思考题259
第18章生物膜的粗粒化模拟260
思考题269
参考文献270
附录271
附录ⅠMaterials Studio软件简介271
附录ⅡOrigin自定义函数拟合及构建三维势能面、能量折线图的方法284
1.自定义函数拟合284
2.绘制三维势能面285
3.绘制能量折线图287
后记290

前言/序言

分子模拟经过几十年的发展，不论在基础理论还是在应用方面，都取得了巨大成就。目前分子模拟在化学、材料学、生命科学等领域引起了理论和实验工作者的广泛关注。山东大学理论化学研究所自2003年为硕士、博士研究生讲授分子模拟基本理论，2015年又增加了上机实验操作内容，授课对象也扩至本科生。我们的课程讲义前后使用十余年，历经多次内容更新。其中早年讲义中的部分章节得到了山东大学蔡政亭教授的逐字斟酌润色，这为此书出版打下了基础。本书是在山东大学理论化学研究所多位老师多年授课所使用讲义的基础上整理而成的。
本书分基础理论和实验两部分，其中基础理论部分为教师和研究生、本科生学习和参考用书，实验部分可供学生上机实习使用。理论部分包括9章内容：第1章简单说明分子模拟的发展历史及其相关概念；第2章为分子模拟中的统计力学基础；第3章主要包括各个力场的组成形式和应用范围；第4章讨论了能量小化方法；第5章是本书的重点，主要阐述分子动力学和Monte Carlo方法中作用力和势函数的处理方法；第6章和第7章分别讲述了Monte Carlo 和分子动力学方法的原理及在不同系综中的应用；第8章列举了现在流行的两种介观模拟方法；前八章重点阐述的是分子力学部分。第9章简单介绍了量子力学的基本概念，此部分内容主要参考了山东大学冯大诚教授编写的量子化学讲义。实验部分包括9个典型的计算化学实验，对化学中的热点科学问题进行计算模拟，涵盖了无机、有机、分析、高分子等多个学科领域，可作为基础理论学习后的实践练习；采用的方法包含了当前应用广泛的电子相关理论、密度泛函理论、分子力学、分子动力学、Monte Carlo和介观模拟等；每个实验后均有相应的习题，供学生练习和巩固知识。实验部分为研究生和本科生的重点学习内容。
虽然在编写过程中花费了不少精力，但是由于笔者知识和能力所限，主要素材期刊文献来源较多，需要分析、归纳和统一，因此疏漏之处不可避免，敬请读者批评指正。编著者科研方向为胶体化学中的分子模拟，因此书中的案例（相关文献）多来自于胶体化学及相关杂志，视野略显狭窄，但是希望以此为例对其他相关专业有借鉴作用。诚请读者多提宝贵意见。

编著者
2016年5月

科技前沿：材料科学与工程的宏大叙事 书籍名称： 深入解析：现代材料的结构、性能与应用 作者简介： 本书汇集了材料科学与工程领域多位资深学者和一线工程师的智慧结晶。主编张教授，是国际知名的材料物理学家，在先进陶瓷和功能薄膜研究方面享有盛誉；副主编李博士，则在计算材料学和高通量实验设计方面拥有深厚的实践经验。本书的编撰团队跨越了理论基础研究、材料制备工艺、性能表征与工程应用等多个关键环节，确保了内容的广度与深度。 内容概述： 本书旨在为材料科学、化学工程、物理学以及相关交叉学科的高年级本科生、研究生以及工业界的研究人员，提供一部全面、深入、且极具前瞻性的教材与参考手册。它系统地梳理了当前材料科学领域的核心理论框架、关键的实验技术、以及新兴的材料设计理念，重点关注那些驱动现代技术革新的基础材料体系。 第一部分：基础理论与结构控制 本部分奠定了理解材料行为的微观基础。它不再仅仅停留在晶体学和能带理论的简单介绍，而是深入探讨了缺陷工程在调控材料宏观性质中的核心作用。 1. 晶体结构与缺陷动力学： 详细阐述了点缺陷、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）的形成机制、迁移率以及它们对塑性变形、导电性和光学特性的影响。引入了非平衡态热力学在理解快速凝固和极端条件下缺陷演化中的应用。 2. 界面科学与异质结构： 重点分析了不同材料体系间界面的物理化学特性，包括界面能、应力匹配与应变诱导相变。特别引入了新型异质结（如二维材料的范德华异质结、多铁性复合材料界面）的电子结构调控机制。 3. 高熵合金与复杂相图： 摒弃了传统单组元或二元合金的视角，深入探讨了具有五个以上主元素的复杂高熵合金体系的构效关系。讨论了基于统计热力学和局部结构涨落的相稳定性预测模型，以及如何通过调控组元比实现超塑性或高强度特性。 第二部分：先进制备技术与工艺控制 本部分聚焦于如何精确地将理论设计转化为具有特定形态和性能的实际材料，强调过程控制与性能的精准耦合。 1. 增材制造（3D打印）中的材料挑战： 探讨了选区激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）等技术中，快速加热与冷却速率对微观组织（如枝晶生长、孔隙率、残余应力）的剧烈影响。提供了面向增材制造的材料设计原则，以应对热裂纹和各向异性问题。 2. 薄膜沉积与表面工程： 深入讲解了原子层沉积（ALD）和脉冲激光沉积（PLD）等技术中，反应动力学、衬底效应和生长模式的精确控制。重点介绍了自组装单分子层（SAMs）在功能界面构建中的应用，以及等离子体增强化学气相沉积（PECVD）对非晶态材料的微结构调控。 3. 纳米结构材料的自下而上合成： 涵盖了水热合成、溶剂热合成以及模板辅助法在制备具有特定形貌（纳米线、纳米片、量子点）的无机材料中的应用。讨论了限制效应如何改变材料的本征电子和光学属性。 第三部分：功能材料的性能表征与应用拓展 本部分将理论与制备成果连接到实际应用，重点阐述了先进的表征手段和新兴的功能材料体系。 1. 多尺度性能表征技术： 详尽介绍了同步辐射光源、高分辨透射电镜（HRTEM）在原子尺度成像中的最新进展。同时，也涵盖了利用声发射、原位拉伸测试等技术捕捉材料在动态载荷下的微裂纹萌生和扩展过程。 2. 能源存储与转换材料： 聚焦于固态电池电解质（如LLZO、硫化物基电解质）的界面阻抗问题、锂离子/钠离子电池电极材料的体积变化机制。在光催化方面，详细分析了非贵金属基催化剂的活性位点设计与光生载流子的分离效率。 3. 智能与响应性材料： 深入探讨了形状记忆合金（SMA）、压电/焦电材料以及磁致伸缩材料的工作原理。重点分析了其超弹性、大应变响应的本构关系，并结合这些材料在传感器和精密驱动器中的工程化挑战。 第四部分：计算辅助材料设计（超越传统模拟） 本部分着眼于计算工具如何加速材料发现的进程，但侧重于传统计算方法（如分子动力学、密度泛函理论）之外的先进策略。 1. 基于机器学习的材料信息学： 介绍了如何构建高质量的材料数据库（Materials Informatics）。重点讲解了图神经网络（GNN）在预测复杂化合物合成可行性、优化反应条件以及快速筛选候选结构中的实际应用案例。 2. 加速的相场模拟： 探讨了相场方法如何有效地模拟微观结构在时间演化过程中的复杂动力学，如析出现象、晶粒生长和相分离。强调了如何耦合有限元方法（FEM）以实现从微观到宏观尺度的跨尺度模拟。 本书特色： 本书的叙事逻辑是从原子到宏观，从理论到实践，强调学科间的交叉融合。它不仅提供了严谨的科学原理，更融合了大量来自前沿实验室的最新案例和工程化经验，帮助读者建立起一个全面、动态、且富有洞察力的现代材料科学知识体系。对于希望在材料领域进行深入研究或产品开发的专业人士而言，这是一部不可或缺的工具书。

评分☆☆☆☆☆

说实话，当我翻开这本《分子模拟——理论与实验》时，我期待的是一场关于计算物理和化学的盛宴，希望它能搭建起理论推导的严谨与实际应用之间的桥梁。遗憾的是，这本书给我的感觉更像是一座用松散的沙子搭建的脆弱模型。在理论部分，对于量子化学计算方法（如耦合簇理论或密度泛函理论）的描述，总是点到为止，关键的收敛性、基组依赖性、以及不同泛函选择对结果的系统性偏差分析，几乎被轻描淡写地带过。这使得读者无法真正理解“为什么”某种方法在特定体系下会失效或产生误差。而“实验”的衔接更是突兀，它似乎假设读者已经掌握了如何将纯粹的数值结果与真实世界复杂的环境效应（如温度波动、杂质影响）进行有效对比的技巧，却从未详细阐述这一转化过程中的关键步骤和潜在陷阱。这本书在提供“是什么”的同时，完全缺失了“如何做”以及“为什么会错”的深度解析，这对于追求精确和可重复性的科学研究来说，是致命的缺陷。

评分☆☆☆☆☆

这本所谓的“分子模拟——理论与实验”的书籍，在我看来，更像是一份充满诱惑力的目录，而不是一个详尽的指南。我原本满心期待能深入理解从基础的薛定谔方程求解到复杂的动力学模拟算法的每一个细节，特别是对于像我这样，希望将理论知识应用到实际材料设计中的科研工作者而言。然而，实际阅读体验却令人大失所望。书中对理论框架的阐述，停留在教科书的初级水平，缺乏对前沿进展的深入剖析，例如近期在机器学习辅助势能面构建方面的突破，几乎没有提及。更不用说，所谓的“实验”部分，更像是对几种常用计算软件结果的简单罗列，缺乏对实验数据如何验证、修正或启发模拟参数的关键环节的探讨。整体而言，它像是为初学者准备的入门读物，但即便是初学者，也需要大量外部资料来填补其内容上的巨大空白。对于有一定基础的研究者来说，这本书提供的附加价值微乎其微，更像是在浪费时间翻阅一本对深度和广度都严重不足的资料集。

评分☆☆☆☆☆

这本书的写作风格和结构安排，简直是一场灾难。阅读体验就像是穿过一片信息碎片化的荒原。它试图在同一本书中涵盖从微观量子力学基础到宏观系统模拟的广阔领域，结果却是哪一个领域都没有真正深入。每当我对某个理论点产生疑问，迫切希望作者能提供一个更细致的推导或一个实际的例子来阐明时，文字便戛然而止，或者生硬地跳跃到了下一个不相关的章节。比如，关于范德华力在不同尺度下的处理方法，书中仅用了寥寥数语带过，这对于研究软物质体系的人来说是完全不够的。如果它定位为一本面向初级本科生的科普读物或许尚可原谅，但其标题所暗示的深度，要求它必须提供更加连贯、逻辑严密的论证链条。目前的版本，更像是不同讲师在不同课程上留下的零散讲义的粗暴拼凑，缺乏一位主导者对全局的掌控力。

评分☆☆☆☆☆

对于一个将计算化学作为主要工具的工程师来说，我最看重的是工具的适用性和局限性的透明度。这本号称覆盖“理论与实验”的书籍，在这方面表现得尤为令人沮丧。它罗列了大量的模拟技术名称——从蒙特卡洛到分子动力学，从头算到半经验方法——但却没有提供一个清晰的决策树，来指导读者根据自己的体系（无论是蛋白质折叠、催化反应还是材料界面）来选择最优的计算策略。例如，它并未深入讨论如何有效地处理长程相互作用在周期性边界条件下的收敛问题，或者在处理涉及电子转移的化学反应时，标准MD模拟框架的内在不足。更让我感到困惑的是，关于计算资源的消耗和优化策略的讨论几乎是零。在如今追求高效计算的背景下，一本不谈论如何高效运行模拟的书籍，其价值大打折扣。它只是罗列了概念，却没有赋予读者实际解决问题的能力和批判性思维。

评分☆☆☆☆☆

我花费了大量时间试图从中挖掘出一些可以立即转化为实验指导的“金玉良言”，但最终失望而归。这本书对“实验”的理解似乎停留在上世纪末的水平。它没有提及任何关于高通量计算的工作流程、数据管理和可视化工具的最新进展。在现代科学研究中，模拟不再是孤立的计算任务，它是一个与数据科学紧密结合的迭代过程。这本书对如何利用先进的数据分析技术（比如主成分分析或神经网络降维）来解释庞大的轨迹数据方面完全保持了沉默。此外，在涉及复杂体系（如界面或催化剂表面）的模拟时，关于如何设计有效的采样策略（如Metadynamics或Replica Exchange MC）的讨论也过于表面化，缺乏对这些技术在应对高能垒问题时的实际应用限制的坦诚分析。总而言之，这本书在理论上不够深刻，在方法论上不够现代，在实践指导上则近乎缺失。

评分☆☆☆☆☆

书写的很好

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一般

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