分子動力學（Molecular Dynamics, MD）分子動力學是一種通過經典力學原理模擬微觀粒子動態行為的計算方法。在MD計算中，所有原子在力場驅動下，根據牛頓運動方程通過數值積分方法迭代求解其隨時間變化的軌跡。

其主要用于研究體系在時間演化中的結構與性質。它以牛頓運動方程、原子間相互作用力和數值積分為核心，通過模擬原子軌跡揭示微觀機理。雖然現代計算化學已發展出多種量子力學方法，但分子動力學依然在研究生物大分子構象變化、材料相變、溶劑化效應以及非平衡過程等方面發揮著不可替代的作用。在分析“結構如何隨時間演變”“能量如何傳遞”“宏觀性質如何從微觀運動產生”時，MD 模擬往往能提供直觀的動態圖像與定量數據。

一、關鍵組成部分：

1、力場

力場是一組描述原子間勢能的經驗函數與參數，包括鍵合作用（鍵長伸縮、鍵角彎曲、二面角扭轉）與非鍵相互作用（范德華力、靜電相互作用）。 常見力場：AMBER、CHARMM、OPLS 等，適用于不同體系

2、積分算法

用于求解牛頓運動方程的數值方法，采用有限時間步長（如 1–2 fs）逐步迭代。最著名的是Verlet算法和它的變種（如Leap-frog算法），因為它們能很好地保持能量守恒。

3、系綜

為了模擬真實的實驗條件，需要對模擬系統施加一定的宏觀約束。常見的系綜有

-NVE：保持原子數、體積、能量不變，模擬孤立體系。

-NVT：保持原子數、體積和溫度不變（常用），通過 thermostat（熱浴，如Nosé-Hoover）控制溫度。

-NPT：保持原子數、壓力和溫度不變（更接近實驗條件），通過 barostat（壓浴）控制壓力。

4、周期性邊界條件

為了消除模擬盒子邊緣的邊界效應，通常采用PBC。想象一下，你的模擬盒子是一個無限重復空間中的一個基本單元。當一個原子從盒子一邊出去時，它會從另一邊重新進來。這樣可以有效地用有限數量的原子模擬一個宏觀的體系。

二、分子動力學能計算什么？

通過對軌跡進行分析，可提取多種物理化學性質：

1、結構性質

-徑向分布函數

-二級結構變化（如蛋白質、核酸）

2、動力學性質

-擴散系數

-弛豫時間、相關函數

3、熱力學性質

-自由能（如 PMF）

-熵、焓、熱容

三、分子動力學在以下領域中廣泛應用：

1、生物大分子模擬

-蛋白質折疊、構象變化

-藥物-受體結合機制

-膜蛋白與離子通道行為

2、材料科學

-相變過程（熔化、凝固）

-力學性能（強度、塑性）

-納米材料（碳管、石墨烯）行為

3、化學與催化

-溶劑化結構與動力學

-反應路徑采樣（如 umbrella sampling）

四、總結

分子動力學以牛頓力學與數值方法為基礎，通過模擬原子運動軌跡，建立起微觀行為與宏觀性質之間的橋梁。從力場選擇、系綜設定，到軌跡分析與性質提取，MD 既能揭示動態過程，也能提供定量數據。雖然在時間尺度、力場精度和計算成本上存在限制，但在生物物理、材料設計、化學機理等研究中，分子動力學已成為不可或缺的計算“顯微鏡”，持續推動我們對物質動態行為的理解。