分子动力学
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前言
分子动力学MD软件主要有:LAMMPS、GROMACS、NAMD、OpenMM、CP2K、DFTB+。
其中材料最强是LAMMPS、生物最强是GROMACS,大体系DFT最强是CP2K,半量子大体系最强是DFTB+。
LAMMPS
- LAMMPS主要面向固体材料、软物质、多相体系等原子级/介观粒子体系的模拟,研究对象涵盖金属、半导体、聚合物、颗粒体系等。它的优势是力场种类极多、可扩展性和可编程性极强,便于接入ReaxFF、ML势、外场、粗粒化等复杂模型。与其他软件相比,LAMMPS更偏材料与通用粒子模拟平台,而不是专注某一类(如生物)体系。
GROMACS
- GROMACS的典型研究对象是蛋白质、DNA、脂质膜、小分子溶液等生物大分子体系。它最大优点是在标准生物力场下的极致性能优化(尤其是GPU)和成熟的生物体系工具链。与LAMMPS等相比,GROMACS更偏生物体系专业选手,对生物力场、拓扑、溶剂模型支持最完善,但在非标材料势函数和可扩展性上略逊。
NAMD
- NAMD主要用于超大规模生物体系,如病毒壳体、巨大蛋白复合物、膜蛋白等。它的突出优点是在分布式并行和超级计算机上的卓越扩展性,可以高效处理百万级以上原子体系。和GROMACS相比,NAMD更强调大规模并行和长时间高稳定运行,但生态和小规模易用性略不如GROMACS。
OpenMM
- OpenMM的研究对象与GROMACS、NAMD类似,主要是分子体系(尤其是生物分子和溶液体系),但更偏向方法开发与机器学习结合。它的核心优势是Python接口+灵活自定义力场/能量项+强GPU加速,非常适合把深度学习势、GNN势等嵌入MD。与其他软件相比,OpenMM的差异在于更像一个可编程MD引擎,而不是固定流程的生产型工具。
CP2K
- CP2K主要针对固体、界面、液体、电解质等体系的一阶原理模拟(DFT/DFTB/QM/MM),研究对象包括大超胞晶体、界面体系和复杂溶液环境。它的优势是在相对大体系下仍能高效进行DFT/AIMD计算(GPW等混合基组是关键)。与上面几款经典MD引擎不同,CP2K的差异在于它是电子结构+力学一体化的量子化学/固体模拟软件,而不是单纯的经典MD平台。
DFTB+
- DFTB+的研究对象是需要量子化学精度但体系较大的分子与固体体系,例如有机半导体、MOF/COF、纳米结构、缺陷体系等。它的优势是基于DFTB方法,计算成本远低于DFT,却保留了轨道/电子结构信息,可做结构优化、电子结构、振动和动力学。与CP2K、VASP这类真正DFT程序相比,DFTB+的差异在于定位为半经验量子方法引擎,处于经典MD与全DFT之间的中间层。