A Practical Guide to Kinetic Monte Carlo Simulations And Classical Molecular Dynamics Simulations pdf epub mobi txt 電子書 下載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:

頁數:194

译者:

出版時間:

價格:0.00 元

裝幀:HRD

isbn號碼:9781594545313

叢書系列:

圖書標籤:

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

探秘物質的微觀世界：從理論基石到前沿應用 （一部全麵覆蓋計算物理與化學核心方法的深度著作） 本書旨在為計算科學、材料科學、化學物理、凝聚態物理以及生物物理領域的科研人員、高級本科生和研究生提供一套係統、深入且實用的理論框架與計算方法指南。我們聚焦於理解和模擬物質在原子和分子尺度上的行為，探索驅動這些行為的基本物理和化學原理。全書結構嚴謹，邏輯清晰，旨在彌閤理論概念與實際代碼實現之間的鴻溝。 第一部分：理論基礎與數值方法的奠基 本部分將構建理解後續高級模擬技術所必需的數學和物理基礎。我們不會預設讀者已精通所有相關領域，而是從第一原理齣發，逐步深入。 第一章：統計力學與係綜理論的重溫 我們將從玻爾茲曼統計和吉布斯係綜齣發，迴顧微正則係綜、正則係綜和巨正則係綜的物理意義及其數學錶述。重點討論配分函數在連接微觀結構與宏觀熱力學性質中的核心作用。此外，本書將詳細探討係綜平均的意義，並引入必要性采樣（Importance Sampling）的概念，為濛特卡洛方法的引入奠定理論基礎。我們將深入剖析配分函數的計算睏難，並闡明為什麼需要基於隨機過程的數值方法來剋服高維積分難題。 第二章：分子間作用勢能的構建與評估 精確的勢能函數（Potential Energy Surface, PES）是所有分子模擬的生命綫。本章將係統介紹描述原子間相互作用的各類勢能模型。從經典的範德華力（Lennard-Jones勢）和靜電相互作用（庫侖定律及有效電荷模型），到描述化學鍵閤的力場模型（如AMBER、CHARMM、GROMOS等範式的結構和參數化策略）。我們還會詳細討論量子化學計算（如Hartree-Fock、密度泛函理論DFT）如何為經驗力場提供精確的第一性原理校準點，並介紹如何從量子力學結果中提取高效的嵌入式勢能模型。勢能麵的拓撲結構分析，如鞍點和勢阱的識彆，也將作為連接靜態結構與動態過程的關鍵。 第三章：計算的精度與誤差分析 在任何數值模擬中，誤差控製至關重要。本章專注於分析不同模型和方法引入的誤差來源。我們將區分截斷誤差（如截斷長程相互作用、截斷傅裏葉級數）、離散化誤差（時間步進的精度）以及統計誤差（采樣不足導緻的偏差）。書中將引入收斂性判據的嚴格定義，並探討如何通過自洽性檢驗、敏感性分析和尺度的依賴性測試來量化模擬結果的可靠性。 第二部分：結構探索與平衡態采樣 本部分聚焦於如何利用隨機數和概率論的強大工具，高效地探索復雜的能量景觀，並精確地計算係統在給定溫度下的平衡性質。 第四章：基礎濛特卡洛算法的實現與優化 本書將詳細闡述經典 Metropolis 算法的數學推導及其核心流程。重點討論如何選擇恰當的試探步（Move Set）以確保滿足詳細平衡條件。隨後，我們將超越基礎的 Metropolis 算法，深入探討一係列高級采樣技術，包括： 1. 提升采樣（Advanced Sampling Techniques）： 如何使用 Umbrella Sampling（傘形采樣）和 Constrained Molecular Dynamics 來處理高能壘問題。 2. 能量重加權技術（Re-weighting Methods）： 如何利用不同溫度或不同勢能下的采樣數據來推算目標係綜的性質，從而提高統計效率。 第五章：高級采樣技術與自由能計算 自由能是描述相變和化學反應驅動力的關鍵熱力學量，但其計算極其睏難。本章將係統介紹計算絕對和相對自由能的先進方法。我們將詳細闡述： 熱力學積分（Thermodynamic Integration, TI）： 基於對勢能的積分來推導自由能變化。 自由能微擾（Free Energy Perturbation, FEP）： 如何通過小擾動來估計不同狀態間的自由能差。 反應坐標與路徑采樣： 引入如Metadynamics（元動力學）和Weighted Histogram Analysis Method (WHAM) 等方法，專門用於加速罕見事件的采樣和精確解析勢能麵上的自由能剖麵。 第三部分：時間演化與動力學模擬 本部分轉嚮時間依賴性的研究，探討如何通過模擬原子的運動軌跡來理解係統的動態過程，例如擴散、弛豫和反應速率。 第六章：經典分子動力學（CMD）的算法核心 我們將從牛頓運動方程齣發，深入解析求解這些二階常微分方程的數值積分算法。重點討論Verlet算法及其速度Verlet變體的穩定性和精度優勢。書中將詳細對比不同積分器的適用範圍，包括對時間步長的選擇標準和如何處理長程相互作用（如周期性邊界條件下的Ewald求和法）。此外，我們還會介紹如何耦閤恒溫器（如Nosé-Hoover）和恒壓器（如Parrinello-Rahman）來維持所需的宏觀環境。 第七章：動力學性質的提取與分析 模擬軌跡本身隻是原始數據。本章關注如何從長時間的軌跡數據中提取有物理意義的動力學信息。核心內容包括： 1. 輸運係數： 如何利用愛因斯坦關係和Green-Kubo關係式計算擴散係數、剪切粘度等。 2. 時關聯函數（Correlation Functions）： 對速度自關聯函數（VACF）和空間自關聯函數進行傅裏葉變換，以揭示係統的弛豫時間和振動態譜。 3. 反應速率理論： 介紹Transition State Theory (TST) 的局限性，以及如何使用更精確的反應麵采樣方法（如Trajectory Surface Hopping，TSH）來處理涉及電子態躍遷的動力學過程。 第四部分：麵嚮前沿的應用與交叉學科視野 本部分將理論和方法論應用於實際的復雜係統，展示這些計算工具在解決當前科學難題中的巨大潛力。 第八章：復雜流體與界麵現象模擬 本章將考察在受限幾何結構或強相互作用下，流體錶現齣的非理想行為。我們將探討： 軟物質模擬： 聚閤物鏈的構象統計、擴散和纏結動力學。 電解質與雙電層： 離子在溶劑中的行為、界麵電荷分布以及如何使用巨正則係綜MD精確計算化學勢。 毛細管現象與潤濕性： 利用密度剖麵分析和界麵張力計算來預測液體在固體錶麵的鋪展行為。 第九章：生物大分子模擬中的挑戰與策略 生物係統具有極大的自由度、復雜的化學環境和漫長的弛豫時間，對模擬提齣瞭極高的要求。本章將重點討論： 蛋白質摺疊與構象變化： 如何利用加速采樣方法來監測或預測罕見的結構轉變。 溶劑化效應： 準確處理水分子對生物分子穩定性的貢獻，並對比全原子模型與更粗粒化模型的優缺點。 藥物設計中的應用： 結閤分子對接（Docking）和分子動力學模擬，評估配體與靶蛋白的結閤自由能，輔助先導化閤物的篩選。 第十章：從經典到量子的橋梁——混閤方法論 認識到純粹的經典描述在處理化學反應中的電子結構變化時的不足，本章將介紹如何構建混閤方法的框架。重點講解如何將高精度的量子化學計算（QM）結果無縫地嵌入到大規模的經典分子動力學（MM）模擬中，形成QM/MM方法。我們將深入探討電荷在不同區域的傳遞機製、勢能麵的連續性要求，以及該方法在催化劑活性位點和酶促反應機理研究中的實際部署。 全書的最終目標是培養讀者獨立設計、執行和解釋復雜的原子尺度模擬項目的能力，使其能夠靈活運用這些強大的工具去解決各自研究領域中的核心科學問題。書中包含大量經過驗證的僞代碼示例和關鍵參數的討論，確保理論知識能夠有效地轉化為可操作的計算方案。

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