Research in Computational Molecular Biology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Vingron, Martin

出品人:

页数:480

译者:

出版时间:

价格:$ 101.64

装帧:

isbn号码:9783540788386

丛书系列:

图书标签:

• Computational Molecular Biology
• Bioinformatics
• Algorithms
• Data Mining
• Genomics
• Proteomics
• Systems Biology
• Machine Learning
• Statistical Modeling
• Computational Biology

深入探索：计算物理学与材料科学的前沿进展 图书简介 本书汇集了计算物理学和材料科学领域近年来取得的突破性进展，聚焦于如何运用尖端的计算方法与强大的高性能计算资源，来揭示复杂物质系统的基本规律、预测新材料的特性，并指导实验合成。本书旨在为该领域的科研人员、高级研究生以及对跨学科计算方法感兴趣的专业人士提供一个全面、深入的知识框架。 第一部分：计算物理学基础与方法论的革新 第一章：密度泛函理论（DFT）的最新发展与应用扩展 本章深入探讨了当前密度泛函理论（DFT）在处理强关联体系、范德华相互作用以及非绝热动力学模拟中的最新挑战与解决方案。我们将详细介绍新一代交换关联泛函（如元泛函和混合泛函）的构建原理，并比较它们在准确性和计算成本之间的权衡。重点关注如何利用机器学习模型来加速势能面的构建和修正，特别是在涉及化学反应动力学和催化剂表面的模拟中。此外，探讨了非周期性体系（如分子、缺陷结构）中DFT-零点修正和基组优化策略的最新进展。 第二章：从头算方法的高效化与多尺度模拟 本章聚焦于更高精度计算方法（如耦合簇理论CC、多体微扰理论MBPT）在实际问题中的应用拓展。重点讨论如何通过片段化方法（Fragment Methods）和嵌入式簇理论（Embedded Cluster Theories）将高精度方法有效地嵌入到更大型的，由DFT或经典力场描述的体系中，实现跨尺度的精度传递。书中详细分析了多尺度模拟框架（如QM/MM、Coarse-Grained Modeling）中，QM/MM界面处理电荷转移和力场参数化的关键技术，特别是在生物物理和软物质模拟中的应用案例。 第三章：高性能计算（HPC）与并行计算架构的优化 计算分子物理的瓶颈往往在于计算资源的有效利用。本章全面梳理了现代HPC架构（GPU、异构计算、量子模拟器雏形）对分子模拟算法的影响。详细介绍了如何针对特定算法（如快速多极展开、迭代求解器）进行并行化优化，包括MPI、OpenMP和CUDA/OpenACC编程模型。探讨了利用张量网络状态（Tensor Network States）方法来应对高维量子态的挑战，以及在分布式内存系统上实现大规模电子结构计算的负载均衡策略。 第二部分：先进材料的计算表征与预测 第四章：二维材料的电子结构与输运性质 二维（2D）材料，如过渡金属硫化物（TMDs）、MXenes和拓扑绝缘体，是当前材料科学研究的热点。本章集中分析如何利用第一性原理计算来精确预测其独特的电子带结构、激子行为和光电响应特性。讨论了缺陷工程（Vacancy, Doping）对材料导电性和催化活性的影响，并重点介绍了玻尔兹/贝里曲率（Berry Curvature）方法在计算霍尔效应和声子热导中的应用。 第五章：复杂氧化物与铁电材料的相场模拟 本部分深入研究了具有复杂内部结构和多铁性的功能材料。详细阐述了如何结合相场法（Phase-Field Modeling）和微观力学（如伊辛模型、哈密顿量）来模拟畴的形成、演化和耦合行为。重点分析了界面效应、应力耦合以及温度驱动下的结构相变。书中通过实例展示了如何利用计算工具预测特定电场或磁场刺激下，氧化物薄膜的压电响应和铁电畴的动力学过程。 第六章：高熵合金（HEAs）与无序体系的统计力学建模 高熵合金以其极高的混合熵和独特的结构稳定性而备受关注。本章探讨了处理这种高度无序体系的计算挑战。内容涵盖了虚拟位移法（Virtual Crystal Approximation）的局限性，以及如何应用基于第一性原理的蒙特卡洛模拟（First-Principles Monte Carlo）来确定合金的稳定相图和相分离行为。深入讨论了利用平均场理论（Mean-Field Theory）结合DFT计算的组分依赖性参数，以有效预测HEAs的机械性能（如硬度与韧性）。 第三部分：动力学过程与非平衡态模拟 第七章：反应路径与过渡态的精确搜索 理解化学反应和材料相变的关键在于定位过渡态。本章全面回顾了寻找反应过渡态的先进算法，包括爬山算法（Climbing Image Nudged Elastic Band, CI-NEB）、局部升温动力学（Temperature-Accelerated Dynamics, TAD）以及更先进的无偏搜索方法（如Metadynamics和Reinforcement Learning Guided Search）。重点分析了如何量化反应能垒的不确定性，并将其与实验光谱数据进行关联。 第八章：从头算分子动力学（AIMD）在复杂介质中的应用 AIMD是研究化学反应和原子尺度输运的强大工具。本章侧重于如何克服AIMD在高时间尺度上的限制。详细介绍了粘滞力场（Friction-based methods）和超弛豫方法（Hyper-Relaxation Techniques），用于增强采样效率，特别是对于涉及大尺度构象变化的生物分子或固态界面扩散问题。讨论了如何结合自由能微扰理论（FEP）来计算溶液环境下的平衡性质。 第九章：非平衡态过程的计算模拟与信息论分析 本章超越了平衡态的限制，探讨了材料在极端条件（如高压、强激光辐照）下的非平衡响应。介绍了瞬态吸收光谱（TAS）的计算模拟方法，以及如何利用时域密度泛函理论（TD-DFT）预测材料对超快激光脉冲的响应。最后，探讨了使用信息论工具（如互信息、转移熵）来分析分子动力学轨迹中的因果关系和能量耗散机制，从而揭示复杂系统中的非线性耦合。 --- 本书特色： 本书不仅详细介绍了各种计算方法的核心理论，更强调了如何将这些方法有效地应用于解决当前的科学难题。每个章节都包含了大量的案例研究和来自前沿文献的实例分析，旨在培养读者将计算模型与实验观测相结合的批判性思维能力。通过对算法效率和计算成本的深入剖析，读者将能够根据实际需求，灵活选择并定制最合适的计算策略。

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