A Practical Guide to Kinetic Monte Carlo Simulations And Classical Molecular Dynamics Simulations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Nova Science Pub Inc

作者:Burghaus, U. (EDT)/ Stephan, J./ Vattuone, L./ Rogowska, J. M.

出品人:

页数:194

译者:

出版时间:

价格:0.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9781594545313

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• Kinetic Monte Carlo
• Molecular Dynamics
• Simulation
• Computational Physics
• Materials Science
• Statistical Physics
• Computational Materials Science
• Modeling
• Algorithms
• Condensed Matter Physics

探秘物质的微观世界：从理论基石到前沿应用 （一部全面覆盖计算物理与化学核心方法的深度著作） 本书旨在为计算科学、材料科学、化学物理、凝聚态物理以及生物物理领域的科研人员、高级本科生和研究生提供一套系统、深入且实用的理论框架与计算方法指南。我们聚焦于理解和模拟物质在原子和分子尺度上的行为，探索驱动这些行为的基本物理和化学原理。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在弥合理论概念与实际代码实现之间的鸿沟。 第一部分：理论基础与数值方法的奠基 本部分将构建理解后续高级模拟技术所必需的数学和物理基础。我们不会预设读者已精通所有相关领域，而是从第一原理出发，逐步深入。 第一章：统计力学与系综理论的重温 我们将从玻尔兹曼统计和吉布斯系综出发，回顾微正则系综、正则系综和巨正则系综的物理意义及其数学表述。重点讨论配分函数在连接微观结构与宏观热力学性质中的核心作用。此外，本书将详细探讨系综平均的意义，并引入必要性采样（Importance Sampling）的概念，为蒙特卡洛方法的引入奠定理论基础。我们将深入剖析配分函数的计算困难，并阐明为什么需要基于随机过程的数值方法来克服高维积分难题。 第二章：分子间作用势能的构建与评估 精确的势能函数（Potential Energy Surface, PES）是所有分子模拟的生命线。本章将系统介绍描述原子间相互作用的各类势能模型。从经典的范德华力（Lennard-Jones势）和静电相互作用（库仑定律及有效电荷模型），到描述化学键合的力场模型（如AMBER、CHARMM、GROMOS等范式的结构和参数化策略）。我们还会详细讨论量子化学计算（如Hartree-Fock、密度泛函理论DFT）如何为经验力场提供精确的第一性原理校准点，并介绍如何从量子力学结果中提取高效的嵌入式势能模型。势能面的拓扑结构分析，如鞍点和势阱的识别，也将作为连接静态结构与动态过程的关键。 第三章：计算的精度与误差分析 在任何数值模拟中，误差控制至关重要。本章专注于分析不同模型和方法引入的误差来源。我们将区分截断误差（如截断长程相互作用、截断傅里叶级数）、离散化误差（时间步进的精度）以及统计误差（采样不足导致的偏差）。书中将引入收敛性判据的严格定义，并探讨如何通过自洽性检验、敏感性分析和尺度的依赖性测试来量化模拟结果的可靠性。 第二部分：结构探索与平衡态采样 本部分聚焦于如何利用随机数和概率论的强大工具，高效地探索复杂的能量景观，并精确地计算系统在给定温度下的平衡性质。 第四章：基础蒙特卡洛算法的实现与优化 本书将详细阐述经典 Metropolis 算法的数学推导及其核心流程。重点讨论如何选择恰当的试探步（Move Set）以确保满足详细平衡条件。随后，我们将超越基础的 Metropolis 算法，深入探讨一系列高级采样技术，包括： 1. 提升采样（Advanced Sampling Techniques）： 如何使用 Umbrella Sampling（伞形采样）和 Constrained Molecular Dynamics 来处理高能垒问题。 2. 能量重加权技术（Re-weighting Methods）： 如何利用不同温度或不同势能下的采样数据来推算目标系综的性质，从而提高统计效率。 第五章：高级采样技术与自由能计算 自由能是描述相变和化学反应驱动力的关键热力学量，但其计算极其困难。本章将系统介绍计算绝对和相对自由能的先进方法。我们将详细阐述： 热力学积分（Thermodynamic Integration, TI）： 基于对势能的积分来推导自由能变化。 自由能微扰（Free Energy Perturbation, FEP）： 如何通过小扰动来估计不同状态间的自由能差。 反应坐标与路径采样： 引入如Metadynamics（元动力学）和Weighted Histogram Analysis Method (WHAM) 等方法，专门用于加速罕见事件的采样和精确解析势能面上的自由能剖面。 第三部分：时间演化与动力学模拟 本部分转向时间依赖性的研究，探讨如何通过模拟原子的运动轨迹来理解系统的动态过程，例如扩散、弛豫和反应速率。 第六章：经典分子动力学（CMD）的算法核心 我们将从牛顿运动方程出发，深入解析求解这些二阶常微分方程的数值积分算法。重点讨论Verlet算法及其速度Verlet变体的稳定性和精度优势。书中将详细对比不同积分器的适用范围，包括对时间步长的选择标准和如何处理长程相互作用（如周期性边界条件下的Ewald求和法）。此外，我们还会介绍如何耦合恒温器（如Nosé-Hoover）和恒压器（如Parrinello-Rahman）来维持所需的宏观环境。 第七章：动力学性质的提取与分析 模拟轨迹本身只是原始数据。本章关注如何从长时间的轨迹数据中提取有物理意义的动力学信息。核心内容包括： 1. 输运系数： 如何利用爱因斯坦关系和Green-Kubo关系式计算扩散系数、剪切粘度等。 2. 时关联函数（Correlation Functions）： 对速度自关联函数（VACF）和空间自关联函数进行傅里叶变换，以揭示系统的弛豫时间和振动态谱。 3. 反应速率理论： 介绍Transition State Theory (TST) 的局限性，以及如何使用更精确的反应面采样方法（如Trajectory Surface Hopping，TSH）来处理涉及电子态跃迁的动力学过程。 第四部分：面向前沿的应用与交叉学科视野 本部分将理论和方法论应用于实际的复杂系统，展示这些计算工具在解决当前科学难题中的巨大潜力。 第八章：复杂流体与界面现象模拟 本章将考察在受限几何结构或强相互作用下，流体表现出的非理想行为。我们将探讨： 软物质模拟： 聚合物链的构象统计、扩散和缠结动力学。 电解质与双电层： 离子在溶剂中的行为、界面电荷分布以及如何使用巨正则系综MD精确计算化学势。 毛细管现象与润湿性： 利用密度剖面分析和界面张力计算来预测液体在固体表面的铺展行为。 第九章：生物大分子模拟中的挑战与策略 生物系统具有极大的自由度、复杂的化学环境和漫长的弛豫时间，对模拟提出了极高的要求。本章将重点讨论： 蛋白质折叠与构象变化： 如何利用加速采样方法来监测或预测罕见的结构转变。 溶剂化效应： 准确处理水分子对生物分子稳定性的贡献，并对比全原子模型与更粗粒化模型的优缺点。 药物设计中的应用： 结合分子对接（Docking）和分子动力学模拟，评估配体与靶蛋白的结合自由能，辅助先导化合物的筛选。 第十章：从经典到量子的桥梁——混合方法论 认识到纯粹的经典描述在处理化学反应中的电子结构变化时的不足，本章将介绍如何构建混合方法的框架。重点讲解如何将高精度的量子化学计算（QM）结果无缝地嵌入到大规模的经典分子动力学（MM）模拟中，形成QM/MM方法。我们将深入探讨电荷在不同区域的传递机制、势能面的连续性要求，以及该方法在催化剂活性位点和酶促反应机理研究中的实际部署。 全书的最终目标是培养读者独立设计、执行和解释复杂的原子尺度模拟项目的能力，使其能够灵活运用这些强大的工具去解决各自研究领域中的核心科学问题。书中包含大量经过验证的伪代码示例和关键参数的讨论，确保理论知识能够有效地转化为可操作的计算方案。

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