分子动力学（ 英语 ：Molecular 动力学 ，简称MD）是一门结合物理、数学和化学的综合技术。它是一种基于 牛顿运动定律 的计算方法，其通过计算机仿真不断迭代模拟大量原子或分子在不同时刻下的运动轨迹和相互作用过程，并通过抽取样本计算体系的构型积分，以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
20世纪50年代早期，分子动力学首次被提出。1953年费米使用洛斯阿拉莫斯国家实验室的MANIAC-I来求解多体系统受几种力定律的随时间演化的运动方程。1957年，奥尔德（Alder）和温莱特（Wainwright）使用IBM 704计算机模拟刚球之间的完美弹性碰撞，开创了用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例。 此后，恒压、恒温分子动力学方法等相继被提出，分子动力学方法被扩展到了存在 速度梯度 的非平衡系统。 在20世纪70年代后期，分子动力学被应用到了 蛋白质 的模拟中。
分子动力学模拟方法在化学物理学、 生物物理学 、 材料科学 等许多科学领域应用广泛。在生物科学研究中，分子动力学模拟方法可以用于研究结构生物学、 计算机 辅助药物发现、 纳米技术 、 毒理学 等。 在 化学动力学 研究中，分子动力学模拟方法可用于模拟和解释 化学 反应的反应路径和动态转化过程等。 分子动力学模拟方法能够分析分子材料的静态及动态特征，能够模拟与实践相关的变量，适用于研究有机材料、 无机化合物 非 金属材料 以及金属材料等各类材料。
简史
最早的分子动力学模拟方法在1957年就已实现。1957年，奥尔德（Alder）和温莱特（Wainwright）首先在硬球模型下采用分子动力学模拟方法研究气体和液体的 状态方程 ，开创了用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例。 1959年，他们提出可以把分子动力学模拟方法推广到更复杂的具有方阱势的分子体系，模拟研究分子体系的结构和性质。 1971年，拉赫曼（Rahman）和斯蒂林格（Stillinger）首次基于计算机模拟研究了具有分子团簇行为的水的性质。 1972年，该方法先后被推广到了有速度和 温度梯度 的非平衡体系。 1977年，分子动力学模拟方法第一次成功模拟了 生物大分子 体系，即牛 胰蛋白酶 抑制剂的折叠，并提出了约束动力学方法（Rychaert等）。
在势函数的研究上，1964年，拉赫曼（Rahman）模拟研究了具有Lennard-Jones势函数的864个氩[yà]（Ar） 原子 体系，得到了与 状态方程 有关的性质、 径向分布函数 、速度 自相关函数 、均方位移等。此后，分子模拟工作者广泛模拟研究了具有不同势函数参数的Lennard-Jones模型分子体系，得到了体系的结构及其各种 热力学 性质，探讨了Lennard-Jones势函数参数对体系结构与性质的影响，建立了Lennard-Jones势函数参数与模型分子体系结构及性质之间的关系。 而针对势函数模型化比较困难的半导体和金属等，1985年，卡尔（Car）和帕里内洛（Parrinello）提出了将 密度泛函理论 与分子动力学有机结合的 第一性原理 分子动力学方法。1991年，卡然（Cagin）和佩蒂特（Pettitt）进一步提出了适用于处理 吸附 问题的 巨正则系综 分子动力学方法。
在体系温度的调控上，分子动力学模拟中最简单的方法是变标度恒温法，当体系的温度，即总动能偏离设定值时，体系中所有 原子 或分子的速度被乘以称为标度因子的系数，使体系的总动能回归设定动能。1980年，安德森（Andersen）提出了热浴法，在模拟过程中让体系中的一个或若干个原子或分子与恒温热源中的分子发生随机碰撞，达到调整体系总体温度并使之保持恒定的目的。但是，由这样的方法模拟得到的相轨迹不连续，不符合实际情况。1984年，贝伦德森（Berendsen）改进了变标度恒温法，使温度逐渐被调节到设定温度，减小了温度的波动幅度 。上述温度调控算法粗糙，没有严格的理论基础。恒温扩展法具有严格理论基础，通过在模拟体系广义坐标和广义 动量 外引入额外的自由度与热浴 耦合 的方法，达到调控温度的目的。理论上，恒温扩展法可以通过改变或扩展实际模拟体系的 哈密顿 函数或拉格朗日函数实现，如1984年，尼泽（Nosé）提出的恒温扩展法及1985年，经胡佛（Hoover）修正的尼泽-胡佛（Nosé-Hoover）恒温算法。
简介
分子动力学模拟方法是在牛顿力学的基础上，将 计算机模拟 技术与 统计力学 相结合，描述大分子体系中分子和 原子 运动及相互作用的方法。 描述粒子间相互作用的势函数、模拟体系的系综、 动力学 方程 的求解方法直接影响体系中粒子的运动状态，从而对分子动力学模拟的精确性有重要影响。 在分子动力学计算中，先依据各个粒子所处来计算系统的 势能 ，再根据 牛顿运动定律 来计算每个粒子所受的力以及加速度，然后再计算体系经过很短时间后各粒子达到的新的位置及速度，重复以上步骤，由新的位置计算系统的势能，计算新的受力及加速度，如此反复循环，可得到系统中各时间下粒子运动的位置、 受力、速度以及加速度等等。 根据上述粒子坐标、粒子速度等 微观 信息，通过统计物理规律，得出如温度、压力、势能等宏观物理性能。
分子动力学模拟方法在 材料科学 、 生物物理学 、 化学 物理学等许多科学领域得到了广泛应用。在材料科学的研究上，分子动力学模拟方法可以模拟微纳米尺寸材料变形过程，获得 弹性模量 、屈服强度等力学性能，以及材料 原子结构 动态演化，从而揭示力学性能与微观结构之间的内在关系，为材料微纳米尺度力学性能研究提供了一种新方法。 分子 动力学 模拟方法也广泛应用在 生物大分子 体系的结构与功能研究中，比如 蛋白质折叠 、 药物设计 、 蛋白质结构预测 、 蛋白 蛋白相互作用、蛋白质聚集以及生物大分子 配位化合物 的动力学过程。
基本步骤
分子动力学模拟方法可以分为三个主要步骤：构建 几何模型 、分子动力学核心计算及结果的输出。
构建几何模型
进行分子动力学模拟计算，首先要进行几何模型的建构，给出初始结构的坐标值， 这与 ansys 的几何建构相似，不同的是ANSYS等宏观计算时考虑的是 几何图形 的构造，而分子动力学模拟方法计算的是离散系统，需要考虑 晶体 的相关性质。 对于均匀相的固体材料，通常可以选定其 晶体结构 为初始位置；而对于聚合物以及大分子 蛋白质 等 复杂系统 的初始结构则最好是依据 核磁共振波谱法 （Nuclear Magnetic 共振 ，简称NMR）实验结果获取其结构的图像进行确定。
分子动力学核心计算
构建 几何模型 之后，就可以利用分子动力学模拟方法进行计算。分子动力学模拟方法的核心计算过程是从系统的 势能 出发，给定初始速度，通过势能计算出力及加速度，利用数值计算， 推演出粒子随着时间变化的运动轨迹。
初始化
此前建立的结构的模型，即是对模型位置的初始化。模型的运动需要给定初速度进行驱动，初速度的给定直接影响着模型的 热平衡 。初速度的选取，一般在(−1,1)区间内选取符合 正态分布 的一个随机数 ，再乘以粒 子的平均速度 ，即
从而得到了符合 詹姆斯·麦克斯韦 玻尔兹曼分布（Maxwell-Boltzmann 广义函数 ）的粒子速度，即
其中， 代表粒子速度为 时的 动量 ， 是玻尔兹曼常数， 是系统的 热力学 温度， 是粒子的质量。为了消除系统的 刚体 运动，在模拟计算之前使各个方向的总动量为0。
体系预平衡
模拟体系初始结构如果有重叠等不合理现象会导致模拟失败，可以先通过能量最小化的方法来减小体系内部不合理的力来加快体系的平衡，之后便通过预平衡模拟的方式来使体系逐渐达到平衡状态。
预平衡阶段常见的思路是先在NVT 系综 下限制 溶质 对 溶剂 进行平衡，同时把温度提升并稳定在模拟需要的温度，之后是在NPT系综下进行压力（密度） 平衡。NPT系综最接近真实生理条件，所以该系综经常用于模拟生理条件下 生物分子 之间的相互作用。
运动求解过程
根据分子动力学模拟方法的基本原理，利用分子动力学模拟方法研究材料的宏观性能，需对体系中粒子的运动进行精确追踪。由于真实体系较为复杂，难以通过分子动力学模拟方法对真实的物理过程进行完全呈现。为了使计算资源利用率最大化，需对模拟体系进行近似处理，忽略粒子间的量子效应，体系内粒子的运动满足 牛顿运动定律 ，粒子间的相互作用满足 叠加原理 。分子动力学模拟体系中粒子 的 运动方程 为：
式中， 为粒子 的质量； 为粒子 受到的外载荷。给粒子赋予初速度，通过 有限差分法 求解上述 线性微分方程 ，可得出任意时刻的粒子加速度、粒子速度、粒子坐标等 微观 物理信息。有限差分法是将时间离散为步长为 的若干时间段，由 时刻的 物理量 及 偏导数 求出 时刻的物理量，并逐渐扩展至整个时间范围。 常见的有限差分算法有Verlet算法、蛙跳（Leap-frog）算法、速度Verlet（Velocity-Verlet）算法、Gear算法、Tucterman和Berne多时间步长算法等。
Verlet方法
在分子动力计算中必须计算粒子的速度与位置。在分子动力计算中，Verlet方法是有限差分算法中较为常用的方法之一。该方法于1967年由Verlet提出，通过将粒子的位置以 J.H.泰勒 式展开，即：
将式中的 变换为 ，得：
将前面两式相加，得：
将 牛顿运动定律 方程式对时间积分，可预测 原子 经过时间 后的速度与位置式，将其与粒子的位置的 J.H.泰勒 展开式相减得到速度式，即：
此式表示，时间 时的速度可由 及 的位置得到。Verlet式的缺点在于该式中含有 项，由于实际计算中通常选取很小的 值，容易导致误差。
Velocity-Verlet算法
Verlet算法简单，存储要求适度，但无法同时获得粒子坐标和粒子速度，已知粒子的初始运动信息是不够的，还需获得 时刻的粒子坐标才能对 运动方程 进行求解。在Velocity-Verlet算法中，同一体系的粒子的坐标、速度、加速度都是通过同一时刻体系的状态来计算的。Velocity-Verlet算法计算简便，很好地解决了上述Verlet 算法所表现出的不足，其基本公式如下：
在模拟过程中，对 运动方程 积分步长 的选择也尤为重要，较小的步长意味着模拟的结果将更加精准，而较大的步长则意味着计算时间的节省以及有利于研究时间范围更大的系统。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此通常选取积分步长的原则是小于系统中运动最快的 原子 周期的百分之十。为了提高搜索相空间的能力，可以屏蔽分子内部振动或其他无关运动的约束动力学。因此就可以根据Lennard-Jones 势能 来简单估计原子系统的积分步长，取势能中 的最大值用来估计运动最快的原子以便确定积分步长。除了此方法外，还可以根据系统总能量的涨落进行判断，当系统的总能量维持在一个稳定的状态则可以判定为积分步长较合适，反之则需要适当地减少积分步长。
结果的输出
用分子动力学模拟方法求出模型中粒子的运动轨迹之后，就可以用 统计力学 原理计算模型的 物理性质 ，从而完成分子动力学模拟方法的全过程。系统的平均值就是各点的 物理量 的统计平均值。分子动力学模拟方法要输出的物理量包括 内能 、压力、温度等， 部分输出的物理量的公式如下：
体系的内能 计算：
其中， 和 分别为体系中粒子的动能和 势能 。
体系温度 计算：
其中， 为体系中粒子的数量， 为 路德维希·玻尔兹曼 （Boltzmann） 常数 。
瞬时压力函数 计算：
其中， 和 分别为密度和体积， 为粒子 与粒子 之间的距离， 为 系综 平均，分子内成对维里函数（Virial 函数 ）定义为：
其中， 为分子内 势能 函数， 为粒子间的距离。
势函数
势函数描述了粒子间的相互作用，决定着 计算机模拟 的工作量以及计算模型与真实系统的近似程度，直接影响着模拟结果能否成功，所以势函数是分子 动力学 计算的核心， 势函数的选取至关重要。势函数的形式多种多样，通常取决于材料的结构特征或者材料键的形式，从最初的对势发展到了现在的三体势、多体势等。不同的势函数适用于不同的形式，常用的势函数有Lennard-Jones（L-J）势、Morse势、Tersoff势、EAM势、Finnis-Sinclair（F-S）势函数、Tight-Binding（TB）势函数等。
Lennard-Jones（L-J）势
Lennard-Jones（L-J）势常用于描述气体分子或水分子间的作用力 。分子间 势能 在经典分子动力学模拟中最常用的为Lennard-Jones势，即任意两个分子 , 之间的势能关系式如下：
其中， 表示 势阱 深度， 表示分子直径， 表示两分子之间距离
Morse势
Morse势常用来描述稀有气体、高度离子化的体系， 其函数形式为：
其中， 为系统的总能量， 为三个待确定的参数， 为 原子 和 原子 之间的距离。
Tersoff势
Tersoff势是一种Morse势函数的多体经验势，可以较精确地描述共价体系（如C、Si和Ge等） 原子间的相互作用力， 其势函数可表示如下：
式中， 为体系原子之间总能量； 和 是成对可加的吸引相互作用项和排斥相互作用项； 是光滑截断函数项； 为 原子 和原子 之间 化学键 的 键级 ； 为原子 和原子 之间的键长。
系综
在分子动力学模拟中，需对温度、 压强 等宏观实验环境进行设定，为此引入系综这一 统计物理学 概念。系综是指在一定的宏观条件下，大量性质结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统集合。 分子动力学模拟过程中可以使用的系综包括以下四种：
（1）微正则（NVE）系综：即系统中保持恒定的 原子数 目和体积，系统能量保持不变。在该系综下系统不会与外界产生能量及物质交换，但温度和压强发生起伏变化。
（2）正则（NVT） 系综 ：即系综中体系的 粒子数 、体积、温度保持恒定，总动量为0。在该系综下系统与外界发生能量交换以达到温度恒定，系统能量和 压强 发生起伏变化。
（3）等温等压（NPT）系综：即系统中保持恒定的 原子 数目、体积和压强。在该系综下系统通过调节体积大小保证压强不变。
（4）巨正则（VTμ）系综：即系统与外界产生能量交换以保证温度恒定，通过粒子交换达到 化学平衡 以保证 化学势 相等 。该系统通常用于蒙特卡罗模拟，例如实现合金内部短程有序分布。
在分子动力学模拟中， 系综 决定了体系 热力学 量的计算方法。模拟过程中，系综对模拟体系的温度、压力、能量进行实时调控。研究表明，材料性能受温度、压力等外在因素的显著影响。因此，根据宏观实验条件选择合理的系综，对分子动力学模拟的准确性有重要影响。
相关概念
长程相互作用
根据分子间相互作用空间范围的大小，分子间相互作用可以分为两种不同的类型：近程相互作用和长程相互作用。近程相互作用的作用距离相对较小，只需计算相距较近的分子间的相互作用，截去相距较远的分子间的相互作用，不会产生显著的误差，截断近似成立。相反，长程相互作用的作用距离很大，截去相距较远的分子间相互作用会产生很大误差。甚至相距超过一个模拟元胞的两个分子，其相互作用也必须计算，不能忽略，截断近似不成立。
相互作用究竟是近程还是长程，可以通过势函数的渐近性质来确定。如果势函数与 具有相同的渐近性质，则 越大，作用范围越小； 越小，作用范围越大。库仑相互作用具有 的渐近性质，是最典型的长程相互作用。相反，Lennard-Jones 相互作用具有 的渐近性质，是典型的近程相互作。一般地，以 作为区分长程相互作用和近程相互作用的界限， 为近程相互作用， 为长程相互作用。长程相互作用和近程相互作用虽然没有本质区别，但在分子 动力学 模拟中对这两种作用的计算方法完全不同。
在分子 动力学 的模拟计算中，几乎90%的时间用来计算 原子 所受的力，其所用时间正比于体系 原子数 的平方，一般分子动力学模拟的原子数较多，故对原子力进行简化是非常有必要的。对于短程作用力，常常采用截断半径法，即只考虑力程以内的作用力，可以大大减少计算量；对于库仑力等长程作用力，则需要找近似办法来处理，进而减少计算量。计算长程相互作用力的常用 近似算法 包括埃瓦尔德（Ewald）加和法、反应场（Reaction Field）方法和格子多重（Cellmultiple）方法等。
埃瓦尔德（Ewald）加和法
埃瓦尔德加和法是1921年 德国 科学家埃瓦尔德在研究 离子晶体 能量时发展的一种计算长程势的近似方法。主要研究的是一个粒子与模拟盒子中的其他所有 原子 以及 周期性 原胞 中的镜像粒子之间的相互作用。埃瓦尔德加和法是在求和时将势函数转变成两个可以迅速收敛的 级数 ，从而大大节省了机时。其势函数的总表达式可写为：
反应场方法
反应场方法能够比较简单地计算偶极相互作用，此方法计算截断半径内所有电荷间的 静电 相互作用，在截断半径内，可以明确地计算中心分子与其他所有分子的相互作用，而将截断半径外的静电相互作用视为 介电常数 。采用反应场方法所耗的计算时间不长，但它存在球形内外的函数衔接处是不连续性的问题。
受控分子动力学
为了研究生物系统中 配体 受体的动态相互作用，受原子力 显微镜 单分子力谱技术的启发，分子动力学模拟方法中引入了非平衡的分子动力学模拟方法，受控分子 动力学 模拟方法（Steered Molecular Dynamics ，简称SMD）。受控分子动力学模拟方法基于牛顿 运动方程 ，通过固定住模拟体系中的某几个 原子 ，而在另外的某个或者某几个原子（被称为SMD原子）上施加一个指定方向的外力，来模拟原子力显微镜单分子力谱的力 探针 的作用，观测体系随时间的状态改变。通过受控分子动力学模拟方法，既可以定性地分析体系的动态相互作用，又可以定量地计算体系的 结合能 。相对于原子力显微镜的单分子力谱实验的两种工作模式（恒速拉伸模式和恒力拉伸模式)，对应的受控分子动力学模拟方法也存在两种模拟方式——恒速拉伸（Constant Velocity Pulling）模式和恒力拉伸（Constant Forcc Pulling）模式。
恒速拉伸模式是使用最为广泛的受控分子动力学模拟方法。一个虚拟的施力原子（被称为哑原子）通过一个虚拟的弹簧与SMD原子相连。 在拉伸模拟过程中，这个哑 原子 会以恒速的方式沿着给定的方向移动， 而SMD原子的速度却不是恒定的。当外力作用在哑原子上时，虚拟弹簧在这个外力的作用下发生形变，会引起SMD原子的运动，最终获得SMD原子上施加的外力随时间变化的曲线。SMD原子所受到的拉力由虚拟弹簧的弹性系数所决定，满足 胡克定律 ，因此可以根据 牛顿运动定律 计算出SMD原子所受到的拉力大小。
受控分子 动力学 模拟方法的另一种工作模式是恒力拉伸模式。根据定义可知，在恒力拉伸模式下，没有哑 原子 和虚拟弹簧的概念，而是直接将指定大小的力作用到 SMD原子上，在恒力拉伸模式下，体系 离解 的速度随分子间相互作用力的大小成反比改变。
温度控制
分子动力学模拟体系的重要特征之一是体系的温度，通常需要研究某种分子在指定温度下的性质和特征，如NPT 系综 、NVT系综等。因此，这需要对模拟体系施加控温技术，从而使体系在 动力学 模拟过程中 一直保持在期望温度周围，一般允许在一定程度上进行波动，从而体现 势能 动能交换造成的温度 微观 涨落。
控温技术，一般称作热浴，也可称作温度 耦合 ， 等价于使模拟体系中的所有粒子处于人为虚构的恒温外环境中，一般是通过对体系 中粒子速度的调节来实现控温的目的。麦克斯韦分布严格描述了 理想气体 体系中的粒子速度分布。同时，粒子达到热 平衡且存在相互作用时分布情况也近似适用。 现阶段，主要有速度标定法、Berendsen热浴法、Nose-Hoover法、Langevin法等。
边界条件
在宏观力学计算中，在不考虑 刚体 运动时，需要边界条件。用分子动力学计算模拟时，同样需要考虑边界条件。分子动力学中边界条件应该考虑加载、体系的大小、表面、尺寸等因素。 边界条件通常分为周期边界条件和非周期边界条件两种。
周期性边界条件
分子动力学模拟方法的典型尺度从几百个 原子 到几百万个原子，为了表示扩展系统，在模拟单元中通常采用周期边界条件。周期边界条件可看成在基本单元基础上可以重复扩展，延伸到无限远的空间，常用于模拟无限大的体系。它也可被认为模拟各种性质的 物理量 从一侧出去，从另一侧重新回到模拟区域。这种边界条件可以很好的消除边界对模拟系统的影响，例如:可消除在热输运过程中的边界散射影响。 周期性 边界条件 ，常用来消除表面效应或边界效应的影响，或者是为了减少工作量模拟具有周期性特征的 晶体结构 。
非周期边界条件
非周期边界条件包括固定边界条件和自由边界条件（也称作开放边界条件）两种。在对于低维材料及有限体系的模拟中，通常在特定方向上采用非常周期边界条件。例如对于2D材料的模拟，平面外的方向上就需要设置成自由边界条件。在一些特定的有限体系模拟时，需要采用固定边界条件固定一部分 原子 来实现特定的模拟目的，这一部分原子的速度、位移和受力均为零，如在非平衡态MD模拟计算一定长度系统的热导率时，需要固定一部分原子作为隔热层来实现热流的定向流动，防止反向热流。
应用
分子动力学模拟方法所能够模拟的时间尺度在飞秒至纳秒范围内，空间尺度在几纳米至百纳米范围内。该时空尺度恰好与 原子 、分子以及分子团簇、分子聚集体的特征运动相对应，是分析物质内部分子间相互作用的强大工具，可帮助研究者从 微观 层面揭示物质结构与性能关系。 分子动力学模拟方法在生物学、材料学、物理和化学等各种科学领域中应用十分广泛。
在生物科学领域的应用
分子动力学计算可以获得体系中各微观粒子随时间的演变过程，直观了解体系在特定条件下的微观动力学行为。该类方法是研究蛋白质等 生物大分子 功能与作用机制的有效手段，被广泛应用于蛋白质构象变化、蛋白结构-功能关系、 蛋白 配体相互作用、 残基 突变及其它因素对蛋白结构及功能的影响机制等研究，在呈现蛋白质构象变化和配体结合等动态过程中起着重要作用，为相关 实验数据 提供了有力的补充。
固有蛋白质折叠
分子动力学模拟方法可以用来研究固有无序蛋白，且其在研究固有无序蛋白中相比实验方法有非常多的优势。尽管目前有很多实验方法可以用来判定蛋白是无序的还是有序的，也有一些实验方法能测定固有无序蛋白的相关结构信息，但实验方法受实验条件的约束，仍然有很多观测不到的信息。
分子动力学模拟方法作为种理论方法，其最大的优势在于不受实验条件的约束，可以同时研究全长和一段蛋白，可以研究不同环境下的蛋白如膜环境或酸性环境，还可以研究蛋白与蛋白的相互作用。此外，由于固有无序蛋白没有固定的三维结构，是以结构 系综 的形式存在的，因此普通实验方法难以得到固有无序蛋白整体的结构系综和关键的中间态，而分子动力学模拟方法为研究固有无序蛋白的这些结构性质提供了有力的工具。固有无序蛋白的二级/三级结构、长程相互作用、 蛋白- 蛋白相互作用、 氢键 和许多其他结构特征都可以从分子动力学模拟的轨迹中计算得到。
病毒组装模拟
分子动力学模拟方法已成为检查病毒的基本计算技术，其与实验方法高度互补，可以揭示可能无法通过其他方式获得的结构和动力学细节， 是整合 实验数据 、开发机理模型和提出有关病毒功能的可检验假设的重要辅助手段。 大多数病毒利用自组装的能力，在 蛋白质 衣壳 的帮助下保护和运输其 基因组 材料，可以使用分子动力学模拟方法了解 原子 细节，理解组装路径的动力学。
在材料科学领域的应用
分子动力学模拟方法，凭借其在纳米尺度实时精准、全息精细反映微观组织变化的能力，成为材料科学探索中重要的研究方法。在金属材料相关研究中所涉及内容，包括凝固过程、 相变 、塑性变形和热物性质计算等。 而在微观 晶体缺陷 的研究中，分子动力学模拟方法可以模拟缺陷的形成、演化以及其对晶体性能的影响。
材料辐射损伤
分子动力学方法可以用于模拟材料的级联碰撞过程，辐照损伤演化， 成核 及其生长过程，是目前在 原子 量级研究辐照条件下材料从晶体到非晶化转变唯一可行的模拟方法。在过去的几十年，分子动力学方法已经成为研究缺陷特性、缺陷演化、缺陷团移动、缺陷相互作用、扩散及纳米丛形成的主要研究方法。
晶体的微观结构
晶粒 粒径 是影响金属多晶材料性能最重要的参数之一，晶粒细化可以改善 结构材料 的力学性能，如提高强度、硬度。纳米多晶材料以其高强度、高硬度和超塑性等优异力学性能， 引起了广泛兴趣。分子动力学模拟方法可以提供深入直观的 原子 图像，这对澄清 纳米材料 微观结构有重要作用。分子动力学模拟方法可以模拟纳米多晶铜的微观结构性能、中大角和小角晶界特征、晶粒的畸变现象等。
电池电解质
分子动力学模拟方法在电池研究上的应用兴起于1990年代后期，得益于 计算机科学 的发展，分子动力学模拟方法目前已成为探测电池 电解质 基本原理的重要工具之一，包括本体/界面结构、 物理化学 性质和界面反应。通过对几何结构、能量演化或偶极矩演化的统计分析，可以推导出扩散系数、 比热容 和 介电常数 等宏观性质。因此，分子动力学模拟方法将电解质的 微观 结构和宏观特性联系起来，并已广泛应用于各种可充电电池领域。
分子动力学软件
目前，根据研究领域和对象的不同，已开发了LAMMPS、MS 、GROMACS、NAMD等分子动力学模拟软件，以及OVTIO、VMD等 可视化 软件，基于 高性能计算 可实现上亿 原子 体系的模拟。
GROMACS简介
GROMACS（Groningen Machine for Chemical Simulations）是一个用于分子动力学模拟的软件套装，它提供了许多分子模拟计算所需的工具和功能， 被设计用于材料和 生物大分子 （如 蛋白质 、脂质和 核酸 等）等体系的分子动力学模拟程序。最初由荷兰 格罗宁根大学 （University of Groningen）的H.J.C. Berendsen等人开发，现为一个开源项目。GROMACS支持多种操作系统，包括 Linux 、 Windows 和 Mac OS ，并且可以使用多种 硬件加速 技术（如GPU和MPI）来提高模拟效率，可支持多种分子力场和算法包。
LAMMPS简介
LAMMPS软件是一种大规模 原子 分子并行 仿真器 ，不依赖其本身自带的力场，为开源软件，可通过自编程加入力场、原子模型和边界条件等计算模块，实现对 流体 流动的精确模拟。
Lammps软件是一个经典分子动力学计算软件，是由美国能源部下属Sandia国家实验室联合Temple大学开发的经典分子动力学软件包，程序基于 C++ 开发，支持主流的并行框架，并在GPL协议下开源。 Lammps是通过输入文件和输入运算命令来进行运行模拟，输入文件中包括in文件、 势函数文件和 数据 模型 数据文件 。 LAMMPS 没有图形显示界面，结果输出以log文件和dump文件来显示结果。运算命令包括串行版启动命令和并行版启动命令。串行版Lammps（serial）使用1个核的cpu进行计算，并行版Lammps（mpi）可调用多个cpu核进行计算。
MS简介
MS（Materials Studio）是美国Accelrys公司生产的新—代材料模型计算软件，是一款商业化的计算模拟软件，是专门为 材料科学 领域研究者开发的一款图形化界面软件。 软件集成 了很多模块，可以解决当今化学、材料工业中的一系列问题。 Materials Visualizer提供了建模、分析和显示的工具，可以由化学数据库显示和模拟材料的结构。