《分子模擬》(第二版)第一篇為分子模擬原理，在介紹分子模擬的物理和化學(xué)原理，如統(tǒng)計(jì)力學(xué)、力場(chǎng)、能量最小化和量子化學(xué)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，介紹了一些模擬基本方法，如Monte Carlo 模擬、分子動(dòng)力學(xué)模擬、介觀模擬、定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系等。第二篇為分子模擬實(shí)驗(yàn)，以具體實(shí)例介紹了分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化、分子性質(zhì)的計(jì)算和分析、勢(shì)能面的構(gòu)建、化學(xué)反應(yīng)模擬、分子光譜計(jì)算、均相體系和多相體系的分子動(dòng)力學(xué)模擬、固體材料表面吸附行為的Monte Carlo 模擬、粗�；敖橛^模擬、定量構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)等內(nèi)容。為了提高讀者的操作能力，本書(shū)附有一些計(jì)算實(shí)例和運(yùn)行腳本，讀者可掃二維碼學(xué)習(xí)。附錄為Materials Studio、Gromacs 的簡(jiǎn)明操作手冊(cè)，Orgin 自定義函數(shù)擬合及構(gòu)建三維勢(shì)能面、能量折線圖的方法等內(nèi)容,讀者掃描二維碼可查看。
《分子模擬》(第二版)可作為化學(xué)、化工、材料、生命科學(xué)、醫(yī)藥等專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者參考使用。
前言
《分子模擬》一書(shū)出版后，來(lái)自同行的建議和鼓舞激勵(lì)我們?cè)?020年末著手修訂工作，希望彌補(bǔ)版的諸多遺憾。版中缺少分子動(dòng)力學(xué)和Monte Carlo模擬的應(yīng)用實(shí)例，特別是未涉足必要的后續(xù)分析方法，而且只針對(duì)Materials Studio軟件的操作，這些可能會(huì)降低讀者使用本書(shū)學(xué)習(xí)分子模擬的熱情。可以說(shuō)《分子模擬》版更像是入門(mén)級(jí)的學(xué)習(xí)參考書(shū)。
在第二版中我們做了如下的改動(dòng)：
原理部分：第1章緒論中模擬資源部分更新了軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)列表，增加了分子模擬學(xué)習(xí)一節(jié)。第3章力場(chǎng)中增加了針對(duì)無(wú)機(jī)材料的力場(chǎng)（如CLAYFF力場(chǎng)和INTERFACE力場(chǎng)）、極化力場(chǎng)和反應(yīng)力場(chǎng)（如ReaxFF）的介紹。第4章能量小化中增加了應(yīng)用案例，包括分子力學(xué)方法優(yōu)化單層膜、量子力學(xué)方法優(yōu)化反應(yīng)機(jī)理，以及分子力學(xué)/量子力學(xué)（MM/QM）方法模擬酶反應(yīng)。第6章Monte Carlo模擬中增加了4個(gè)應(yīng)用案例，涉及有機(jī)小分子的吸附、沉積等內(nèi)容。第7章分子動(dòng)力學(xué)模擬中，增加了對(duì)自由能、均力勢(shì)的討論，增加了5個(gè)典型的分子動(dòng)力學(xué)模擬應(yīng)用案例，包括自組裝膜的潤(rùn)濕性、稠油乳化等內(nèi)容；特別需要強(qiáng)調(diào)的是，在本章中增加了10個(gè)后續(xù)分析方法，包括徑向分布函數(shù)、空間分布函數(shù)、氫鍵、水-水角、可視化弱相互作用等，并詳細(xì)敘述了這些分析方法在Gromacs程序中的運(yùn)行步驟，供讀者操作運(yùn)行，而且部分分析方法附有腳本方便讀者編輯，這些內(nèi)容會(huì)大大提高讀者學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)模擬的興趣。第8章介觀模擬中，增加了4個(gè)應(yīng)用案例，更容易讓讀者明白DPD和MesoDyn兩種方法的應(yīng)用環(huán)境。本版新增加了第9章定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，描述藥物設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的構(gòu)效關(guān)系方法原理，以及該方法在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用案例，如藥物設(shè)計(jì)中的3D-QSAR，材料性質(zhì)中的QSPR等。
實(shí)驗(yàn)部分：第11章分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化，增加了單層自組裝膜的構(gòu)建與優(yōu)化。第13章勢(shì)能面的計(jì)算中，計(jì)算程序從Gaussian調(diào)整為DMol3，內(nèi)容也進(jìn)行了優(yōu)化。第16、17章分子動(dòng)力學(xué)模擬中，增加了6個(gè)典型的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，包括單分子、均相體系和非均相體系，大大豐富了Materials Studio程序的應(yīng)用范圍，對(duì)讀者使用分子動(dòng)力學(xué)研究溶液、界面等的聚集行為有很好的指導(dǎo)作用。第19章粗粒化及介觀模擬中，修改了DPD模擬方法的操作，增加了約束條件下MesoDyn程序的應(yīng)用案例，可為聚合物模板下的聚集行為提供模擬思路。本版增加了第20章定量構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)苯并咪唑類(lèi)緩蝕劑的性質(zhì)，重點(diǎn)敘述了抗腐蝕材料的設(shè)計(jì)篩選過(guò)程，詳細(xì)提供了操作步驟。上述模擬計(jì)算案例使用的是Materials Studio程序，可方便讀者實(shí)際操作軟件學(xué)習(xí)（特別是學(xué)生自學(xué)）。第21章聚集體系的分子動(dòng)力學(xué)模擬，選擇Gromacs程序，涉及熱力學(xué)函數(shù)構(gòu)型熵的計(jì)算、表面活性劑膠束增溶，以及電場(chǎng)下的乳化油滴三個(gè)應(yīng)用案例，擴(kuò)展了當(dāng)前分子動(dòng)力學(xué)模擬在不同領(lǐng)域的應(yīng)用（包括非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬），操作步驟詳細(xì)，并附部分運(yùn)行腳本。第22章二氧化硅表面反應(yīng)力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)模擬中，選擇LAMMPS程序，列舉了目前流行的反應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)用案例，為相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供了研究思路。上述兩章內(nèi)容參考了已出版文獻(xiàn)，是分子動(dòng)力學(xué)模擬的科研應(yīng)用，是專業(yè)級(jí)的學(xué)習(xí)案例。
結(jié)合分子模擬基本原理的發(fā)展歷史，以及精選的分子模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將與分子模擬相關(guān)的逸聞趣事融入其中，講述中國(guó)學(xué)者在分子模擬發(fā)展中的貢獻(xiàn)，將相應(yīng)的思政元素融入原理、實(shí)驗(yàn)、思考題等內(nèi)容中，也是本次修訂的特點(diǎn)之一。
除了主要增補(bǔ)的上述內(nèi)容以外，書(shū)中也糾正了版中的個(gè)別疏漏。在第二版中，我們的總體思路是要告訴讀者分子模擬能夠干什么（增加應(yīng)用案例）、怎么干（具體的操作步驟），特別是一定要降低軟件使用操作門(mén)檻（附部分運(yùn)行腳本），短時(shí)間內(nèi)告訴讀者軟件可能的使用范圍（增加后續(xù)分析方法）。是否能達(dá)到此目的，還需讀者檢驗(yàn)。
《分子模擬》出版以來(lái)多次重印，發(fā)行量超預(yù)期，這是對(duì)我們前期工作的肯定和鼓勵(lì)，也是編寫(xiě)《分子模擬》第二版的動(dòng)力，當(dāng)然也從一個(gè)側(cè)面反映了分子模擬技術(shù)向更廣研究領(lǐng)域擴(kuò)展的事實(shí)。分子模擬是一種技術(shù)方法，目前在材料學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域擴(kuò)展迅速，很多非分子模擬專業(yè)學(xué)者也逐漸對(duì)此領(lǐng)域興趣盎然。很多大型企業(yè)、高校科研單位都有從事此方面研究工作的人員，希望本書(shū)能夠在快速發(fā)展的分子模擬研究過(guò)程中起到積極的推進(jìn)作用。
特別感謝修訂過(guò)程中已經(jīng)或即將畢業(yè)的學(xué)生們：劉剛、延輝、劉國(guó)魁、劉沙沙、李鼎、苑士登、王雪玉、張恒銘、張震宇等，他們有的編輯了分子動(dòng)力學(xué)模擬后續(xù)分析的運(yùn)行腳本和程序，有的具體實(shí)際操作了實(shí)驗(yàn)案例，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟及案例可能的運(yùn)行時(shí)間都給出了建議并做了認(rèn)真的確認(rèn)，為《分子模擬》第二版的出版做出了貢獻(xiàn)。
感謝山東大學(xué)研究生院和本科生院。自《分子模擬》出版以來(lái)，山東大學(xué)多個(gè)職能部門(mén)在教研項(xiàng)目等方面給予支持，并積極推薦參與或山東省教研項(xiàng)目申報(bào)。感謝化學(xué)與化工學(xué)院對(duì)《分子模擬》出版的大力支持。以該書(shū)為主的分子模擬課程，先后獲得或被評(píng)為山東省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)（2018年）、線下一流本科課程（2020年）、山東省高等教育優(yōu)秀教材（2021年）、山東省課程思政示范課程（2021年）及山東省研究生教育優(yōu)質(zhì)課程（2020年、2021年）、山東省本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2022年）等。
感謝化學(xué)工業(yè)出版社的編輯，他們的支持促成了第二版的出版。
由于編者知識(shí)所限，盡管我們?cè)噲D從更寬視野介紹分子模擬的應(yīng)用，但書(shū)中選擇的應(yīng)用案例和實(shí)驗(yàn)操作案例多數(shù)還是來(lái)自編者的科研方向，因此仍有一定的局限性，不過(guò)我們?nèi)匀幌Ｍ@些案例能夠給予讀者科研啟發(fā)。書(shū)中編輯的實(shí)驗(yàn)過(guò)程等受軟硬件限制，在模擬中不可避免會(huì)出現(xiàn)模型構(gòu)建、模擬時(shí)間等方面的不匹配，希望讀者給予指正。
書(shū)中部分分子模擬案例操作及后續(xù)分析運(yùn)行腳本等，已于課程網(wǎng)站上公布，供讀者參考。另有一些模擬實(shí)例和運(yùn)行腳本以二維碼呈現(xiàn)，讀者可掃碼查看。
苑世領(lǐng)
2022年5月
版前言
分子模擬經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，不論在基礎(chǔ)理論還是在應(yīng)用方面，都取得了巨大成就。目前分子模擬在化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域引起了理論和實(shí)驗(yàn)工作者的廣泛關(guān)注。山東大學(xué)理論化學(xué)研究所自2003年為碩士、博士研究生講授分子模擬基本理論，2015年又增加了上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容，授課對(duì)象也擴(kuò)至本科生。我們的課程講義前后使用十余年，歷經(jīng)多次內(nèi)容更新。其中早年講義中的部分章節(jié)得到了山東大學(xué)蔡政亭教授的逐字斟酌潤(rùn)色，這為此書(shū)出版打下了基礎(chǔ)。本書(shū)是在山東大學(xué)理論化學(xué)研究所多位老師多年授課所使用講義的基礎(chǔ)上整理而成的。
本書(shū)分基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，其中基礎(chǔ)理論部分為教師和研究生、本科生學(xué)習(xí)和參考用書(shū)，實(shí)驗(yàn)部分可供學(xué)生上機(jī)實(shí)習(xí)使用。理論部分包括9章內(nèi)容：第1章簡(jiǎn)單說(shuō)明分子模擬的發(fā)展歷史及其相關(guān)概念；第2章為分子模擬中的統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)；第3章主要包括各個(gè)力場(chǎng)的組成形式和應(yīng)用范圍；第4章討論了能量小化方法；第5章是本書(shū)的重點(diǎn)，主要闡述分子動(dòng)力學(xué)和Monte Carlo方法中作用力和勢(shì)函數(shù)的處理方法；第6章和第7章分別講述了Monte Carlo 和分子動(dòng)力學(xué)方法的原理及在不同系綜中的應(yīng)用；第8章列舉了現(xiàn)在流行的兩種介觀模擬方法；前八章重點(diǎn)闡述的是分子力學(xué)部分。第9章簡(jiǎn)單介紹了量子力學(xué)的基本概念，此部分內(nèi)容主要參考了山東大學(xué)馮大誠(chéng)教授編寫(xiě)的量子化學(xué)講義。實(shí)驗(yàn)部分包括9個(gè)典型的計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)化學(xué)中的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算模擬，涵蓋了無(wú)機(jī)、有機(jī)、分析、高分子等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，可作為基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)后的實(shí)踐練習(xí)；采用的方法包含了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電子相關(guān)理論、密度泛函理論、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、Monte Carlo和介觀模擬等；每個(gè)實(shí)驗(yàn)后均有相應(yīng)的習(xí)題，供學(xué)生練習(xí)和鞏固知識(shí)。實(shí)驗(yàn)部分為研究生和本科生的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。
雖然在編寫(xiě)過(guò)程中花費(fèi)了不少精力，但是由于筆者知識(shí)和能力所限，主要素材期刊文獻(xiàn)來(lái)源較多，需要分析、歸納和統(tǒng)一，因此疏漏之處不可避免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編著者科研方向?yàn)槟z體化學(xué)中的分子模擬，因此書(shū)中的案例（相關(guān)文獻(xiàn)）多來(lái)自于膠體化學(xué)及相關(guān)雜志，視野略顯狹窄，但是希望以此為例對(duì)其他相關(guān)專業(yè)有借鑒作用。誠(chéng)請(qǐng)讀者多提寶貴意見(jiàn)。
編著者
2016年5月
苑世領(lǐng)，山東大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，教授、博導(dǎo)，自1999年開(kāi)始，為化學(xué)院本科生講授《物理化學(xué)》，并從2005年為研究生開(kāi)設(shè)《分子模擬及其應(yīng)用》課程。自2000年以來(lái)從事分子模擬計(jì)算工作，先后承擔(dān)五個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及多個(gè)油田橫向項(xiàng)目，發(fā)表SCI論文一百余篇。
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