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量化计算方法


资料
量化计算方法:是在量子力学基础上发展起来的理论物理,量子化学及相关计算,量子化学 研究电子-原子核体系可用 Schrdinger 方程解的波函数描述,原则上 Schrdinger 方程保证了 多电子结构中电子结构与相互作用的全面描述。 分子动力学: 通过允许原子和分子在一段时间内交互作用, 根据已知的物理近似求解系统中 所有粒子的运动方程, 获知原子运动过程的图像

的一种计算机模拟方法。 (分子模拟的一类) 分子模拟: 分子力学或量子力学与统计力学结合的分子模拟技术使量子化学计算从静态到动 态从小体系到纳米、介观尺度过度提供了可能。分子模拟分为两类:一是分子动力学(MD) 模拟,根据原子间相互作用势,用经典力学处理每个原子随时间变化的运动路径。另一是以 概率论为基础的 MC 模拟,采用简单的取样或权重取样构造 Markov 链(对于 1 个 Markov 链,我们是指 1 个离散随机过程,Xr 在任意的时间集 tr(r=1,2)),经过长期演算,粒子状态逼 近 Boltzmann 分布时,通过统计平均获得各种平均值。 从头算法:由 Schrdinger 方程简化而来,即进行全电子体系非相对论的量子力学方程计算。 这种方法仅仅在非相对论近似、 Born-Oppenheimer 近似 (因为原子核的运动并不会造成电子 态之间的跃迁,只会引起各电子态连续的、绝热的变化,这就是所谓的 Born-Oppenheimer 近似或称绝热近似,在该近似下,可近似认为原子核固定在给定的位置) ,轨道近似的基础 上利用普朗克常数, 电子质量和电量三个基本物理量及元素的原子序数, 对分子全部积分进 行计算。 空穴离域性:一个呈电中性的原子,其正电质子和负电电子的数量是相等的。现在由于少了 一个负电的电子, 所以那里就会呈现出一个正电性的空位——空穴。 当有外面一个电子进来 掉进了空穴,就会发出电磁波——光子。对称保持(离域化) (空穴和电子总是成对出现) 或者对称破缺(局域化) QM/MM 方法:量子化学方法(QM)能精确测各种小分子的物理化学性质,研究反应机理。 分子力学(MM)及分子动力学(MD)在研究模拟生物大分子,大块合金材料广泛应用。 两者结合,将中心高精度区域量子化学计算(QM) ,周边区域进行分子力学计算(MM) 。 QM 方法:量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科, 它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它 与相对论一起构成了现代物理学的理论基础 单步超交换机理: 多步跳跃机理: 超交换: 反铁磁性物体内的磁性离子之间的交换作用是通过隔在中间的非磁性离子为媒介来 实现的,故称为超交换作用。 遂穿:隧道效应;隧穿效应;势垒贯穿;tunneling effect 又称隧穿效应,势垒贯穿。按照经典理论,总能量低于势垒是不能实现反应的。但依量子力 学观点,无论粒子能量是否高于势垒,都不能肯定粒子是否能越过势垒,只能说出粒子越过 势垒概率的大小。它取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、运动方向 适宜的未必一定反应,只能说反应概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应,即 可能有一部分粒子(代表点)穿越势垒(也称势垒穿透 barrier penetration), 好像从大山隧道通过

一般。这就是隧道效应 量子隧穿效应是一种量子特性, 是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现 象 域:数学、生物、科技等学科的某类单位的分类词语 极子:极子的基本概念:极子即是具体的、又是抽象的,它是一个物的单位。从宏观看银河 系、太阳系、地球等都是极子;从微观看分子、原子、电子、光子等都是极子;地球上的每 件物体、每个生物都是极子。它们都是具有一定形状、一定体积、一定质量的物,这是极子 的具体性表现。每个极子的外围部分是长短不一的极子线体,有的看得见,有的看不见,起 吸引作用的都是无形的。它们确确实实地存在着,目前人类对它的认识还不够深刻,所以极 子具有一定的抽象性。 碱基π 堆积:“Pi 堆叠”对构造 DNA 和 RNA、蛋白质折叠及其他结构至关重要,“Pi 堆叠” 碱基对和氢键碱基对中都有质子迁移反应,碱基都是芳环, 有 pi-pi 堆叠作用,碱基堆积力 是由于芳香族碱基的 π 电子之间相互作用而引起的 DNA 分子中碱基层层堆积,在 DNA 分 子内部形成了一个疏水核心, 核心内几乎没有游离水分子, 所以使互补的碱基之间形成氢键 MM:分子力学(molecular mechanics) ,又叫力场方法(force field method) ,目前广泛地用 于计算分子的构象和能量 分层算法: ClassicalMD:经典分子动力学 ab initio MD:ab initio 是量子化学计算方法中的从头计算法,基于量子理论,不引入任何来 自实验测定的经验参数,利用计算机对材料进行的计算和预测的一类方法。MD 是分子动力 学 ,分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法,是研究凝聚态系统的有力工具。该技术 不仅可以得到原子的运动轨迹, 还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。 它是对理论计 算和实验的有力补充。ab inito MD 模拟过程中是考虑电子传递和极化效应的。所以能够模 拟化学反应过程,或者与电子传递,输运,磁场响应有关的材料性质 ATK:模拟电子输运性质的大型计算软件,Atomistix ToolKit 一个能模拟纳米结构体系和纳 米器件的电学性质和量子输运性质的第一性原理电子结构计算程序。 对于所模拟的纳米器件 的电极,它可以是纳米管或金属。对于所模拟的纳米结构体系,它可以是两种不同材料形成 的界面区,或界于两个金属表面之间的分子。基于密度泛函理论,ATK 实现了赝势法和原 子轨道线性组合方法等现代电子结构计算方法,ATK 也能进行传统的电子结构计算,处理 孤立的分子体系和具有周期性的体系 DFT 方法: 密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。密度

泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用,特别是用来研究分子和凝聚态的性 质,是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
ONIOM 方法: 分层计算

Marcus 理论: Marcus Theory 电子转移过程理论 1992 年 10 月 14 日瑞典皇家科学院宣布 1992 年诺贝尔化学奖授予美国加州理工学院 Rudolph A.Marcus 教授,以表彰 1956—1965 年期间他在“电子转移过程理论”方面所作出的重要贡 献。 电子转移过程可发生于众多的体系之中,如:在溶液中或胶体中的有机化合物分子;在不同 界面,如金属-液体界面、半导体-液体以及液体-液体界面的电子转移过程;还有生命体系, 如绿色植物的光合作用以及蛋白质的氧化还原反应过程等。在解释大量的实验事实时, Mar-cus 的理论模型为人们提供了一个有力的理论工具 Marcus 提出的电子转移模型认为:电子转移反应速度取决于电子给体与受体间的距离、反 应自由能的变化以及反应物与周围溶剂重组能的大小


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