分子动力学

分子动力学对于直观地了解化学反应的进行具有非常重要的作用，从分子动力学中可以看到分子在催化剂上发生反应的动态变化过程，但目前来说基于量子力学的分子动力学都非常消耗计算资源。

今天我们以一种简单的例子来展示如何在DMol3中计算分子动力学，用这种动力学来评价一种新的催化剂理论模型在一定温度下的结构稳定性。以Co、N共掺杂的石墨炔（CoN-GY）模型为例。

首先，我们需要构建如下图所示的结构模型，然后选择适当的参数进行结构优化，得到稳定的结构。

为了评价这种新的结构在一定温度下的结构稳定性，我们对优化好的结构进行分子动力学模拟。选择的计算参数大部分与前面优化结构时所用的参数一致，只需要将Setup中的Task任务改为Dynamics，然后点击More…，在Dynamics中将Ensemble选为NVT（恒温恒容下的动态变化），Temperature设置为所需要模拟的温度（本例中设置为300 K）。步长Time step设置为2 fs，这里也可以设置为0.5或者1 fs（如果模拟的总时间一样，设置的步长越大，所优化的步数越少，但精细度也会变差。感兴趣的同学可以自己试试不同步长模拟得到的结果）。

本例中我们设置10 ps，所需要优化的步骤为5000步。然后在Themostat中选择NH Chain，其他的参数为默认值。

另外在在Electronic中将K-point set选择为Gamma （1×1×1）点，可以节省计算时间（如果计算资源很充足的话，可以与原优化参数一致）。最后在Job control中选择80 cores，点击run开始计算。

然后就是漫长的计算，在计算期间可以看到随着温度在300 K附近波动，结构的能量也随着波动，结构也呈现出明显的变化。注意，在这过程中最好不要中断计算，否则重新开始计算，出现的结果与前面的计算很难连接起来。计算完成后，出现如下的温度随时间的变化以及能量随时间的变化，以及在.outmol文件中显示的总的运行时间（如下图所示）。

从上面能量随时间的变化图中可以看到，在模拟的后阶段能量变化基本处于动态平衡的情况（此数据可以直接右键复制，然后粘贴到Excel或者Origin中作图。），由此可见CoN-GY结构应该没有发生破坏或者分解的情况（当然还可以选择更长的时间来模拟，看结果变化）。那么，具体的我们来看模拟完最后的结构文件（如下图所示对应着优化最后一步，即5000步的的结构）。从结构文件中也可以看到，在a和b方向上没有看到明显的变化，从侧视图中可以看到，CoN-GY结构在垂直方向上有一定的变化，也对应着能量的动态波动。

在DMol3中可以通过Animation工具来观看这5000步的变化过程。首先关掉窗口界面所有的，在文件栏中双击.xtd文件，然后通过Animation 观看动态变化。