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gromacs教程-6-水模型力场水模型力场 不一定水模型是力场御用的就一定比用其它的水好。对于非极化的水，TIP4P-EW是最好的。对于可极化的水，AOMEBA是最好的。 TIP3P：amber、gaff御用的。 TIP4P：OPLS御用的。 TIP4P-EW：在TIP4P基础上专为ewald计算优化，对水的凝聚相各种热力学、结构性质表现得比其它水模型都好。 SPC：GROMOS力场御用的。 SPCE：对纯水体系比SPC、TIP3P都好。但是有人说这个在纯水下表现好，在混合体系疏水性略强。 shell水模型：在gmx中直接支持。就是给普通的水中间加了个振子表现可极化效应。虽然形式是所有可极化水模型里几乎最简单的，耗时少，但是步长必须设得很短，0.2fs。 AMOEBA水模型：Atomic Multipole Optimized Energetics for Biomolecular Application：主要在Tinker中使用，amber也支持。包括比较复杂的可极化水模型，是三点模型，在原子中心上除了单极矩（原子电荷）外还用偶极矩、四极矩来精确描述电荷分布，并且给予原子由拟合实验值得到的原子极化率，在外场下产生诱导偶极矩以使电荷分布能响应实际环境，氢的范德华作用也考虑进去。不是一般的LJ势。这个水是柔韧的，因此不要用约束算法固定住它的结构。这个水模型管在纯水液相状况下比TIP5P没什么改进还多花时间，但普适性比起其它模型都好得多，气相、溶液相都适用，而不是像固定点电荷水模型只在特定环境下才好。对结构、热力学数据、结合能重现得都好。 水分子力场种类划分与其它任何分子相比，水分子具有无与伦比的重要性。同时，水分子的经典力场的数量和种类也无与伦比，已有不下百种水分子力场。与研究任何其它分子的力场一样，可以从不同层次对水分子进行近似，得到不同类型的力场。水分子经典力场大致包括下面四个层次（或类型）：刚性力场（rigid force fields）、柔性力场（flexible force fields）、可极化力场（polarizable force fields）、可离解力场或反应力场（dissociable force fields or reactive force fields）。 刚性力场 刚性力点模型是经典力学对水分子的最初级近似，反映了水分子结构和性质的最本质属性。 水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，最直接的水分子力场，是用三个分别与水分子的三个原子对应、位置相对固定的力点（即刚体）近似水分子，这就是所谓的三力点模型。在实际的三力点模型中，有的模型的三个力点的相对位置与气态孤立水分子的三个原子的实际位置一一对应，也有的模型不与水分子的三个原子一一对应。事实上，不同状态下的水分子的结构参数（即键长、键角等几何参数的实验数值）有所不同；因此，在不同水分子力场中选取不同的力点位置，不足为奇。由于三个力点的相对位置固定，组成一个刚性的水分子模型，只需要考虑水分子间的相互作用，不需要考虑分子内的相互作用，这也是各种刚性水分子模型的共同特点。三力点水分子模型的分子间相互作用力，由静电相互作用和van der Waals相互作用两个部分组成。其中，与氧原子对应的力点带负电，分别与氢原子对应的两个力点带正电。静电相互作用由分布在力点上的点电荷决定，通常根据库伦定律计算。值得注意的是，在ST2和BNS等力场中，静电能并不完全根据库伦定律计算。van der Waals相互作用利用球形对称的Lennard-Jones势函数近似，作用中心位于氧原子上。 其中，前面一个双重求和遍及所有电荷点，后面一个双重求和遍及所以van der Waals力点，但不包括非van der Waals力点。因此，只要确定水分子模型的力点相对位置和势参数，就可以计算水分子体系的总势能。 如果在三力点模型的基础上增加更多的力点，就可以得到具有更多力点的水分子模型。例如，在四力点模型中，为了模拟负电荷中心不与氧原子重叠的情况，与氧原子对应的负电荷中心被沿H–O–H键角的平分线移到更靠近氢原子的位置M，而van der Waals力点的位置仍然不变。在五力点模型中，负电荷被分解为两部分，分别与氧原子的两对孤对电子对应，van der Waals力点位置不变。除最常用的三力点、四力点、五力点模型外，还有更多力点的水分子模型，甚至还有单力点、双力点的水分子模型。更详细的内容，读者可以参考Robinson的《Water in biology, chemistry, and physics: experimental overviews and computational methodologies》一书的第五章，或其它有关文献。 柔性力场 刚性水分子模型是对水分子的一级近似，不管在模型中引入多少个力点，都不能模拟振动光谱等与水分子内部运动相关的性质。这就需要引入分子内自由度，也就是柔性水分子模型。开发柔性水分子模型最常用的方法，是在刚性水分子模型的基础上引入O–H键的伸缩自由度，H–O–H键角弯曲自由度等。但是，在引入内部自由度后，原刚性力场中的几何参数需要略作调整，以得到更好的模拟结果。常用的柔性力场有TIP4P/FQ模型、柔性SPC模型等。 可极化力场 在早期的分子力场中，电荷点和其它力点一样，被赋予固定的位置、电荷数或偶极矩。这样的模型有一个很大的缺点，不允许分子中电荷的重新分布，不能描述分子的极化现象。这种不考虑分子中电荷重新分布的不可极化力场，虽然取得了巨大的成功，但无法描述水的许多实验现象。事实上，当一个水分子与另一个水分子相互靠近时，将发生极化效应，引起水分子中电荷的重新分布。在分子力场中计入极化效应的分子力场，被称为可极化分子力场。同时，还可以根据极化过程中产生诱导电荷、偶极矩、多极矩等不同的极化效应，把可极化分子力场分为多种类型。可极化分子力场较不可极化分子力场复杂，计算量也大大增加。可极化力场的具体效果不但与力场的精度有关，也与实际研究体系的本质有关。最早的可极化水分子力场是PE力场。 我们知道，在分子模拟中广泛采用的两体势或对势，实际上是一种有效的两体势；不但包括了两个指定分子或原子之间的相互作用，还包括了平均化了的周围分子（处于平均位置）对这两个指定分子的相互作用，这就是所谓的多体相互作用。如果以量子化学方法精确计算两个水分子之间的相互作用势函数，并以此模拟大量水分子的性质，模拟结果将显著偏离实验结果。相反，利用经仔细优化、包括多体相互作用的有效两体势进行类似的模拟，模拟结果较利用精确两体势得到的模拟结果更接近实验值。这种精确的两体势与有效两体势之间的差别，就是分子的极化效应引起的结果。本质上，多体相互作用是一种极化相互作用：两个指定分子之间的相互作用与周围分子的存在相关；当周围分子靠近两个指定分子时，两个指定分子之间的相互作用因极化效应而加强，显著偏离周围没有其它分子存在时的相互作用。由于极化效应的结果总是增强分子之间的纯两体相互作用，因此，有效两体势不可避免地大于纯两体势。这也是经验水分子力场中，模型的偶极矩往往显著地大于气体水分子的偶极矩，模拟得到的第二维里系数显著大于实验得到的第二维里系数的原因。 据分析，有效两体势的氢键势阱应比实际势阱深25%，偶极矩比气相偶极矩大25%，这样才能有效包括多体势的相互作用。 可离解力场或反应力场 我们知道，与AIMD模拟相比，经典MD模拟方法最严重的缺点是无法模拟化学反应，也就是化学键的断裂与生成。事实上，这不是经典MD模拟的缺点，而是经典分子力场的缺点。如果在经典MD模拟中，采用可离解力场或反应力场；那么，就可以用经典MD模拟方法研究化学反应。 反应力场是经典力场的一种很有前途的扩展，成功实现了在经典MD模拟的框架内模拟化学键的生成和断裂，却比AIMD模拟方法具有更低的计算量、更高的模拟效率。 其它力场 水分子是被最广泛研究、模拟的分子。利用前述的各种水分子经典力场，可以模拟水团簇、液体水、水溶液、固体水等的结构和性质。这些模型的一个显著特点是水分子在模型中显式出现，被统称为水的显式模型（explicit model）。除此之外，MD模拟中还用到水分子的粗粒度模型（coarse-grained model）、隐式模型（implicit model）或连续溶剂模型（continuum solvent model）等，用于模拟作为溶剂的水分子对大分子、生物分子等的影响，达到降低计算量，提高模拟效率的目的。 溶剂化模型我们在研究体系中会加入溶剂，关于溶剂的模型，我们称为溶剂化模型。溶剂模型可分为两类：显式溶剂模型（explicit solvent model）和隐式溶剂模型（implicit solvent model），在这里大家要了解一下就是DFT和MD关于溶剂化模型的算法是不一样的，但是开展的理念是一样的，要表现溶剂对于体系的影响。 显式溶剂模型 对于你研究的体系需要加入溶剂分子进行观察，这些加进去的溶剂分子，你是可以看的到的，所以叫做显示溶剂模型，当然这种溶剂模型，你是可以加入抗衡离子来进行中和使得电荷为零。通常采用周期边界条件来表现无限溶剂环境。 隐式溶剂模型 该模型不添加溶剂分子，所以你看不到，这个就是为啥叫做隐式溶剂模型。为了更好的求解，这个模型是用连续介质模型（数学方程）来反映该效应。 隐式溶剂模型有许多优势，包括：减少体系粒子数目，降低计算开销；无溶剂摩擦效应，加快构像变化，避免长时间模拟；无需显式水的平衡过程。 通常，我们在做常规分子动力学模拟时会采用显式溶剂模型，而在之后的结合自由能计算则采用隐式溶剂模型（MM/GB(PB)SA方法）。 水分子模型的力点及其分布 除三力点模型外，常用的还有四力点模型、五力点模型、六力点模型等。简单水分子模型的力点分布情况如图所示。 虽然随着力点数目的增加，力场参数也相应增加，力场也更加复杂；但力场的精确程度似乎与力点数量的关系不大。比如，具有四面体结构的五力点水分子模型，模拟得到的水的结构过分有序，不如平面结构的四力点水分子模型。此外，SPC、TIP3P、TIP5P、SPC/E等力场，不能描述液体水和冰的相图，但TIP4P模型可以产生定性正确的相图。对TIP4P模型进行重新优化参数后得到的TIP4P/2005模型可以产生定量正确的相图，以及用于AIMD模拟的TIP4PQ/2005模型 。 研究水分子力场的目的和意义，不仅仅是为了模拟水的结构和性质。相反，研究水分子的力场的主要目的和意义基于这样一种理念，一个可以精确预报水的相图等各种性质的水分子经验模型，肯定可以更好地预报水的结构、特别是水溶液中各种复杂生物分子等与水结合时的结构。这些复杂生物分子等在水溶液中的结构，在科学研究和实际应用中具有重要的意义，也是现代实验技术难于表征的重要性质。
目前存在很多种水分子模型用于预测液态水的物理特性，或确定液态水的（未知）结构。在构建模型的过程中，需要在模型复杂度与可模拟的时间尺度和体系大小以及复杂性之间做出权衡。虽然当前计算能力逐年提高，但是仍需要测试由系统大小、模型复杂性和时间限制带来的参数数量上的约束。简单水模型可以用于大型系统（> 10,000个分子）或较长的仿真周期（> 10 ns），复杂但更准确的模型（如从头算方法）只能用于相对较小的系统（100-1000）和较短的模拟时长（≈ps）。对于分子动力学模拟，模拟体系小和周期短可能导致产生伪结果，但分子建模的外推结果不应等同于或优于实验证据。 水分子的力场模型包含定向静电效应和Lennard-Jones位点，后者定义了水分子的几何大小。Lennard-Jones项在短程内具有排斥性，从而确保分子结构不会由于静电相互作用而完全塌陷，而在中间距离处它具有明显的吸引力。Lennard-Jones相互作用没有方向性，与具有方向性的静电吸引作用互相竞争，这种竞争确保了扩展的四面体网络与坍塌的无方向网络之间的张力。每个力场模型的开发都非常适合一套特定的物理结构或参数（例如，密度，径向分布函数或关键参数）的理论预测。尽管每个力场模型都内置了水的四面体特性，但许多论文还是将径向分布拟合和衍射数据作为其“黄金标准”，而O···O径向分布函数其实掩盖了潜在的复杂性，似乎不能很好地区分性能差异很大的力场模型。实际上，当前的X射线和中子衍射数据无法区分目前流行的水分子力场模型之间的差异。同样，真实水中存在的纯度、同位素混合、甚至可能存在的邻位/对位自旋状态，可能会导致物理参数值选择上的困难，因为模型中仅使用一种同位素形式而忽略了自旋状态和其他实体（例如离子）的存在。在所有经典模型中，水分子之间质子跳跃的容易程度（≈ps）以及对水分子簇稳定性的积极影响也被忽略了。
一篇综述列出了46个不同的模型，从而间接表明它们在定量再现真实水的特性方面缺乏成功。然而，它们可能会对水的行为提供有益的见解。 一些更成功的简单模型与下面给出的参数相反。模型类型a、b和c都是平面的，而类型d几乎是四面体的。c中的中点位点（M）和d中的孤对位点（L）标记为q2 一些模型对理解水结构-性质关系最有帮助。很好的例子是简化的二维和三维梅赛德斯-奔驰（MB）水模型，最初于1971年提出。这些粒子通过Lennard-Jones相互作用和通过MB标志中排列的三个径向臂的定向依赖氢键相互作用与其他粒子相互作用 B.Guillot, A reappraisal of what we have learnt during three decades of computer simulations on water, Journal of Molecular Liquids, 101 (2002) 219-260.
上面的一些值因不同的人计算而略有不同。其他工作人员使用扩散电子密度或非极化模型的可极化版本，使用柔性键合（例如，SWFLEX-AI）、诱导偶极子、能量优化（例如，TIP4P-FQ版本的TIP4P）或可移动电荷（例如，SWFLEX-AI），所有这些通常提供更好的拟合，但计算成本显著增加。 对11种非极化经典水模型（TIP3P、SPC、SPC/E、柔性SPC、TIP4P、TIP4P/Ice、TIP4P/2005、柔性TIP4P/2005、TIP4P-Ew、TIP5P、TIP5P-Ew）及其氢键网络进行了比较。极化相互加强了氢键，并部分补偿了已知长程相互作用的缺失（统计除外）以及这些模型对短程力的依赖性。散射电子密度使有效电荷随距离变化。这样的模型通常在远离环境条件的情况下比更简单的模型表现得更好，在环境条件下它们被参数化。 在某些情况下，粗粒度模型是有帮助的。就所使用的水分子的数量而言，这些在计算上是便宜的，并且对于生物分子水合特别有用。它们作为预测因子的用处较小。然而，一些这样的模型已经显示出了前景，例如使用四个水分子（不完全水四面体）的簇单元的模型。另一种是使用由量子谐振子与正中心结合的负电荷组成的所谓“量子Drude振荡器”，产生多体偏振和色散相互作用。该模型预测了密度、表面张力、蒸发焓和跨相和表面的介电常数，证明了良好的可转移性。 已经提出了一个十一参数分析模型，该模型允许在不进行模拟的情况下计算水的性质。它涉及笼状结构、两分子氢键和Lennard-Jones相互作用a。此模型与我的集群模型类似。 另一个建模系统是密度泛函理论（DFT），它根据系统的三维电子密度来描述系统，并涉及多体系统的薛定谔方程的近似解。尽管已经完成了许多有价值和有趣的工作，并且正在进行改进，但该方法仍然无法在一系列条件下准确预测液态水的性质。 多种方法包括将量子玻尔兹曼统计与经典动力学相结合，在动力学模拟中产生核量子效应。这些都是计算昂贵的方法，可以用来与红外光谱进行比较。模型的比较表明，准质心分子动力学（QCMD）模型最适合再现光谱中的基本跃迁。
表中给出的许多数据值在不同的研究人员之间差异很大。对各种模型的气相二聚体的一些性质进行了比较。通常，与可极化模型相比，刚性模型使二聚体过度稳定。从给定的数据（和其他数据）可以推断出，尽管这种简单的模型很有用，但目前还无法确定普遍适用的模型。还应该注意的是，许多模拟是用沿着每个边缘不超过2.5nm的矩形周期框内的几百个水分子进行的，时间相当于几皮秒；减少长程效应发现并引入假象的条件。在分子间相互作用中使用截止长度（甚至是长的）也可能引入假象。应该注意的是，任何水结构的长度尺度和观察它所需的时间尺度之间都有很强的相关性。水模型的预测价值一直受到质疑，即使在当前的发展中，也应谨慎对待其一般应用。 相比之下，其他力场模型甚至不能定性地再现水的振动谱。在模拟水时有时会意外地产生不自然的相变等伪象。三体效应对内能的贡献为14.5％，而两体势不能正确的描述该效应，即使是好模型也无法描述深冷水的情况。研究发现，在分子模拟中严重低估了实验密度波动的幅度。所有这些建模研究（除了从头算）都可能存在基本缺陷，因为都是出于不同目的而拟合的参数。因此，用于描述势能表面的最佳参数值不一定是描述偶极矩表面或极化率表面的最佳参数，这在存在电场的情况下对水进行建模时尤其重要。 当前比较流行的SPC、SPC/E、TIP3P和TIP4P在预测水的熔点（分别给出190 K、215 K、146 K和232 K）方面比较差。SPC、SPC/E、TIP3P和TIP5P则没有预测出ice1h为稳定相，反而给出ice II或不太现实的晶体结构。许多力场模型错误地预测了冰的有序相的反铁电特性（例如ice XI）。SPC/E、TIP4P和TIP4P-Ew模型也无法预测正确的关键数据，如蒸气压。事实证明，即使在液相中，SPC/E和TIP3P模型也不是很可靠，对于小水团簇，不同模型给出了不同的最低能量结构。大多数力场模型都没有考虑最高占据分子轨道（HOMO; 1b1）中占据主导性的pz2轨道特征，或水分子较大的四极矩。事实证明，非极化模型无法同时预测某些物理性质，例如熔化温度和最大密度温度。核量子效应很少被明确地包括在水的模型内，而该效应会引起相邻水分子之间的高质子交换，以及在低温下氢键的增强和在高温时氢键的减弱。这40多个刚性、柔性、可极化和从头算模型中没有一个能够同时符合实验径向分布模型和实验内能。分子动力学模拟与X射线吸收光谱在预测第一配位壳层的氢键时出现了较大差异。总而言之，在所有力场模型中，水的MB-pol多体势表现较好，该模型在冰和水的物理状态范围内给出了一些一致的理论预测，包括正确地再现温度与许多结构、热力学和动力学特性的依赖性。
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