2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子動力學(xué)模擬技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述分子動力學(xué)模擬的基本思想和核心步驟。二、比較NVT系綜和NPT系綜在模擬目的和使用條件上的主要區(qū)別。三、列舉至少三種常用的分子力場，并簡要說明它們各自的主要特點(diǎn)或適用對象。四、解釋什么是能量最小化（EnergyMinimization）在分子模擬中的作用和常見方法。五、為什么在進(jìn)行長時程的分子動力學(xué)模擬時，需要考慮系綜轉(zhuǎn)換？請簡述系綜轉(zhuǎn)換的基本原理。六、簡述計算蛋白質(zhì)與配體復(fù)合物結(jié)合自由能的MM/PBSA方法的基本思想和步驟。七、分子動力學(xué)模擬得到的徑向分布函數(shù)（RDF）能夠提供哪些關(guān)于分子間相互作用的信息？請說明。八、請描述如何利用分子動力學(xué)模擬計算一個分子的自擴(kuò)散系數(shù)。九、在分析分子動力學(xué)模擬的軌跡數(shù)據(jù)時，均方位移（MSD）是一個常用的參數(shù)。請解釋MSD的物理意義，以及如何通過MSD來估算擴(kuò)散系數(shù)。十、舉例說明分子動力學(xué)模擬技術(shù)在材料科學(xué)或藥物設(shè)計領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并簡述其優(yōu)勢。十一、在進(jìn)行分子動力學(xué)模擬時，選擇合適的時間步長至關(guān)重要。請說明選擇時間步長需要考慮的因素，并解釋為什么通常使用限制性算法（如Verlet算法）來提高計算精度。試卷答案一、分子動力學(xué)模擬通過求解牛頓運(yùn)動方程，模擬系統(tǒng)內(nèi)所有原子或分子的運(yùn)動軌跡，從而獲得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)和微觀行為。核心步驟包括：1）建立系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)；2）選擇合適的力場和模擬參數(shù)；3）進(jìn)行能量最小化；4）選擇模擬條件和系綜；5）運(yùn)行分子動力學(xué)模擬；6）分析模擬軌跡和結(jié)果。二、NVT系綜（正則系綜）保持系統(tǒng)的粒子數(shù)、體積和溫度恒定，適用于研究在恒定溫度下系統(tǒng)的動力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)，但模擬過程中體積可能變化。NPT系綜（正則系綜）保持系統(tǒng)的粒子數(shù)、壓強(qiáng)和溫度恒定，適用于研究在恒定壓強(qiáng)下系統(tǒng)的性質(zhì)，如密度和體積，但模擬過程中溫度可能波動。主要區(qū)別在于約束條件不同，導(dǎo)致模擬系統(tǒng)的體積和溫度（或壓力和溫度）行為不同，適用于不同的研究目的。三、常用力場包括：1）AMBER：廣泛用于生物大分子模擬；2）CHARMM：功能強(qiáng)大，適用于生物大分子和部分小分子；3）GROMACS：開源，計算效率高，適用于大體系模擬。特點(diǎn)或適用對象：AMBER基于連續(xù)介電模型，CHARMM參數(shù)化全面，GROMACS對大規(guī)模體系優(yōu)化較好。四、能量最小化通過迭代計算并調(diào)整原子位置，消除系統(tǒng)中的不良接觸和過高能量，使系統(tǒng)達(dá)到更穩(wěn)定的構(gòu)象，避免模擬初期產(chǎn)生劇烈的振動和不合理的結(jié)構(gòu)。常見方法包括共軛梯度法（ConjugateGradient）、最速下降法（SteepestDescent）等。五、進(jìn)行長時程模擬時，為了使系統(tǒng)的行為能夠充分弛豫到目標(biāo)系綜的平衡狀態(tài)，需要使用系綜轉(zhuǎn)換?；驹硎峭ㄟ^引入額外的約束或模擬裝置（如Berendsen系綜轉(zhuǎn)換、Nose-Hoover系綜轉(zhuǎn)換），使模擬系統(tǒng)的某個宏觀量（如溫度、壓力）能夠趨向于目標(biāo)系綜的設(shè)定值，同時保持其他宏觀量（如粒子數(shù)）不變，從而在長時間模擬中近似達(dá)到目標(biāo)系綜的平衡。六、MM/PBSA方法計算結(jié)合自由能的基本思想是：將結(jié)合自由能分解為分子力學(xué)（MM）計算的體系自由能變化、溶劑化自由能變化（通過隱式或顯式溶劑模型計算）和氣相-溶液校正（PBSA中的P、B、S、A分別代表加和、玻爾茲曼、表面、吸摘校正）。步驟包括：1）進(jìn)行結(jié)合態(tài)和自由態(tài)的分子力學(xué)能量計算；2）計算溶劑化能；3）應(yīng)用各種校正項(xiàng)；4）將各項(xiàng)相加得到結(jié)合自由能。七、徑向分布函數(shù)（RDF）描述了以某個原子為中心，距離它r遠(yuǎn)的粒子的密度或數(shù)量相對于隨機(jī)分布的偏差。RDF能夠提供：1）分子間相互作用的平均距離信息；2）不同原子類型間的配位情況；3）分子結(jié)構(gòu)的局部有序性；4）氫鍵等特定相互作用的存在情況和強(qiáng)度。八、利用分子動力學(xué)模擬計算自擴(kuò)散系數(shù)的方法是：1）對目標(biāo)分子進(jìn)行足夠長時間的NVT或NPT模擬，確保系統(tǒng)達(dá)到平衡；2）記錄目標(biāo)分子的質(zhì)心坐標(biāo)隨時間的軌跡；3）計算質(zhì)心坐標(biāo)的時間依賴性，得到均方位移（MSD）；4）根據(jù)MSD與時間的關(guān)系（MSD=6Dt+C，在長時間極限下），通過線性擬合斜率得到自擴(kuò)散系數(shù)D。九、均方位移（MSD）的物理意義是：一個粒子從初始位置出發(fā)，在一段時間內(nèi)相對于初始位置的平均平方距離。它反映了粒子在體系中的擴(kuò)散行為。通過MSD來估算擴(kuò)散系數(shù)的思路是：在長時間極限下，MSD與時間t成正比（MSD=6Dt+C），其中D為自擴(kuò)散系數(shù)，通過測量MSD隨時間的變化并擬合直線，其斜率（除以6）即為擴(kuò)散系數(shù)。十、分子動力學(xué)模擬在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用舉例：預(yù)測材料的力學(xué)性能（如彈性模量、屈服強(qiáng)度）、研究材料的相變過程（如熔點(diǎn)、晶型轉(zhuǎn)變）、模擬材料的表面性質(zhì)和催化反應(yīng)機(jī)理。在藥物設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用舉例：研究藥物分子與靶點(diǎn)（如蛋白質(zhì)）的結(jié)合模式、預(yù)測藥物分子的溶解度、研究藥物在體內(nèi)的分布和代謝過程。優(yōu)勢在于能夠模擬原子尺度的行為，提供實(shí)驗(yàn)難以獲取的詳細(xì)信息，且成本相對較低。十一、選擇合適的時間步長需要考慮：1）數(shù)值積分方法的穩(wěn)定性要求（如Verlet算法要求時間步長遠(yuǎn)小于力變化的特征時間）；2）計算精度（時間步長越小，精度越高