[发明专利]基于分子间相互作用的粗粒化方法

说明书

本发明公开了一种基于分子间相互作用的粗粒化方法，包括以下步骤，对晶体材料进行量子力学(QM)计算、对三斜晶系进行校正、建立伪化学键模型、对Morse函数参数进行拟合、将参数、模型带入MD框架进行模拟、输出模拟结果。利用本发明提供的方法，能够计算材料颗粒之间的相互作用，能够显著的提高计算机模拟的效率，相对的提高计算准确度。

技术领域

本发明涉及计算机模拟领域，尤其涉及计算机模拟中粗粒化模型的搭建和对应力场的计算。

背景技术

计算机模拟经过了几十年的发展，不论在理论方面还是在应用方面都取得了巨大成就。总的来说，计算机模拟的发展趋势是以更高的效率、模拟更大的体系、实现更长的演化时间、取得更精确的模拟结果为目的。为了实现这些目标，必须从计算机技术、模拟算法等方面进行广泛而深入的研究。

在经历了约半个世纪的指数式提高，计算机核心部件CPU在21世纪初期后，出现了停滞现象，失去了过去那种按摩尔定律快速提高的趋势。因此，要实现计算机模拟高效率、大体系、长时间、高精确的目的，一味的堆积硬件资源显然不可取。而改进模拟算法、简化分子模型可以达到任何计算设备的改进均无法实现的作用。

现目前主流的粗粒化方法有两种：

方法一：基于Martini力场的粗粒化方法，就是按照一定的规则方法将一个或几个原子团约化成一个粗粒化的粒子，在计算过程中，只考虑粒子的各种性质，而不考虑原先的原子团。基于Martini力场的粗粒化方法可以降低计算量，但是对于一些大体系、有着空间拓扑结构的物质，它的计算结果并不是很准确。

方法二：耗散粒子动力学(DPD)方法，其单个粒子代表整个分子或包含多个分子，或高分子的一个片段的流体区域，而不是单个原子，并且不考虑原子的行为细节，认为其与过程无关。粒子自身的自由度被整合，粒子间的受力由一对保守力、耗散力与随机力表示。耗散粒子动力学方法在流体模拟中有着较高的计算准确度，但是却不能准确的描述其他体系。

计算机模拟中消耗计算时间最多的部分就是分子间相互作用、静电相互作用、多体相互作用等。

发明内容

本发明的目的是，提供一种在分子动力学(MD)框架下的，基于分子间相互作用的粗粒化方法，利用本发明提供的方法，能够计算材料颗粒之间的相互作用，能够显著的提高计算机模拟的效率，相对的提高计算准确度。

为此本发明采用如下技术方案：基于分子间相互作用的粗粒化方法，包括下列步骤：

步骤1、对晶体材料进行量子力学(QM)计算：根据晶体材料的晶向对晶体材料的单体分子进行建模，并用Gaussian 09进行计算，计算完成后，改变两个单体分子之间的距离，重新计算；经过一系列的计算后，得到距离-能量矩阵。

步骤2、对三斜晶系进行校正：对于三斜晶系材料，对其晶体结构进行正交化处理，得到斜方晶系；正交化处理如下，a′＝a，b′＝b×cos(γ-90)，c′＝c×cos(α-90)，构成斜方晶系。a、b、c、α、β、γ是指原三斜晶系(也就是TATB晶体)中的6个晶体参数，其中a、b、c是指晶胞的三组棱长，α、β、γ是指三组棱相互间的夹角(即晶体的轴角)，带′的是正交化为斜方晶系后的6个晶体参数。

步骤3、建立伪化学键模型：根据步骤2的斜方晶系建立伪化学键模型，建立一种专一的粗粒化模型；该模型x、y、z三个方向的距离依据步骤2中计算得到的斜方晶系晶格常数确定，然后将每一个材料单体粗粒化为一个珠子，珠子与珠子之间，使用伪化学键连接。伪化学键不是真正意义上的化学键，他的长度远远超出了化学键的长度，且不表示成对电子，而是一种分子间的相互作用，其包含了分子间相互作用、静电力等多种长程力，且不同方向的伪化学键的键长和类型也不同，如x方向的伪化学键长度为a′，类型为①，y方向的伪化学键长度为b′，类型为②，z方向的伪化学键长度为是c′，类型为③。