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《分子模拟方法与应用》课程心得体会
很高兴能学习《分子模拟方法与应用》这门课程,使我们接触并慢慢了解了一门全新的课程。因为大学本科为生物科学专业，比较偏向于生物机体特征理论学习，硕士也是生物工程，一直对分子模拟中的量子力学、分子力学、计算机软件模拟等没有接触过，有幸选修这门课程，才得已拓宽自己的视野，涉猎物理、化学专业领域。
在上课初期，因为分子模拟与自己专业有点距离，所以接触起来比较困难，但四位老师在此领域有比较深入的研究，讲课清晰有条理，循序渐进，课堂气氛也比较活跃，大家可以任意和老师讨论不懂得问题，交流学习心得，慢慢对课程有了比较深入的了解。
我的硕士研究课题为生物分子方面，通过构建多酶复合体大分子构建一种底物通道，而构建多酶复合体过程中，需要用一种非水解作用的支架将酶连接起来，形成一种分子复合物。若能用分子模拟的知识用软件将需要构建的分子模拟预测，形成一个比较直观的印象，则在真正实验过程中将会事半功倍。下面就是我通过上课听老师讲解，以及查阅《分子模拟基础》、《分子模拟理论与实践》在此专业领域的心得。
老师提到，分子模拟方法可以计算复杂庞大分子的稳定构象，热力学性质及广辟振动。从化学方面来讲，化学就其物质的根本组成来讲，是有电子及其原子核构成的，分子结构决定了分子性质。而量子力学与结构化学的出现，使化学研究由宏观进入微观。运用分子的结构及其原子核周围电子的运动来解释和理解物质的物理和化学性质，在量子力学的基础上发展起来的量子化学及其相关计算为我们开辟了通向微观世界的一条途径，过去只能在实验室通过化学反应和仪器设备来了解物质的结构和反映，现在通过理论化学和计算机化学计算就能了解各种化学反应变化，或预测某些分子的几何空间构型。分子模拟就是利用理论方法（模拟分子结构）去实现以往用实验才能证明的东西（性质）。
一．分子模拟的初步认识
四位老师学识渊博，专业基础坚固，首先给我们讲解了分子模拟的入门知识，1
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分子模拟的层次，包括量子力学和分子力学以及分子动力学，然后通过查阅资料分子模拟的概念有了更清晰的认识。分子模拟是用于模拟分子或分子体系性质，定位于表述和处理基于三维结构的分子结构和性质。
分子模拟涉及量子力学、分子力学、理论化学、计算化学、计算机化学,根据基本原理的不同，分子模拟主要有量子力学模型和分子力学模型两类。量子力学研究电子运动状态，用波函数表示，运用解薛定谔方程；分子力学模型考虑核运动状态，电子运动作运动假设，用质点运动轨迹表示，运用解力学方程（经典牛顿力学方程）。
通过查阅资料可知，通过分子模拟可更全面的了解分子的性质，预测尚未合成的的化合物的性质以及最终目的的设计。分子模拟的主要优势在于可以降低实验成本、具有较高的安全性、实现通常条件下较难或无法进行的实验（例如：超低温，低于-100℃；超高压，高于100Mpa）、研究极快速的反应和变化等。
二．上课主要内容
1.量子力学与分子力学（由任老师主要讲解）
任老师以独特活跃的课堂教学首先给我们讲解分子模拟的知识，任老师不是古板教学，风趣幽默、课堂气氛活跃，主要给我们讲解了量子力学方面的内容，还有介绍了分子模拟的层次：量子力学、分子力学和分子动力学。所以我们对分子模拟有了初步的了解。量子力学
任老师讲解中提到量子力学的分子模拟层次为电子、分子轨道,而分子力学的层次是原子。描述微观粒子运动状态的普遍规律是量子力学，在量子力学方法里，一切电子的运动状态都是用其波函数来表示。计算机技术的迅速发展使量子力学原理得以广泛应用，几乎关于分子的一切性质，都可以用量子力学计算来解决，将量子力学中的公式定义算法等编制成计算机程序，用来解决和解释化学中的问题，就形成了量子化学计算。量子力学的基本定律是波函数所满足的偏微分方程，是利用波函数来研究微观粒子的运动规律的一个物理学分支学科，它以分子中电子的非定域化为基础，一切电子的行为以其波函数表示。根据海森伯的测不准原理，量子力学可计算区间内电子出现的概率，其概率正比于波函数绝对值的平方，而欲得到电子的波函数，则需解薛定谔方程式（）。量子力
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学模型用电子结构理论进行相关计算，电子结构理论的任务为解薛定谔方程式，采用量子化学方法对分子进行处理。随着量子力学理论的逐步完善以及计算机的普及和计算速度、计算量的不断提升，分子模拟的理论和方法得到了快速的发展，在化学化工、材料科学、医药科学、生命科学等诸多领域发挥着越来越重要的作用。分子力学
任老师在理论化学与物理化学背景下给我们介绍了分子、量子力学的基础概论，分子力学方法（molecular mechanics ,MM）是依据经典力学的计算方法，此种方法主要根据分子力场计算分子的各种特性，依照波恩-奥本海默近似原理，计算中将电子的运动忽略，而将系统的能量视为原子核位置的函数。分子立场含有许多参数，这些参数可经由量子力学或试验方法得到。利用分子力学方法可计算庞大与复杂分子的稳定构像，热力学特性及振动光谱的资料，与量子力学相较，此方法要简便多。某些情形下，由分子力学方法得到的结果几乎与高阶子力学方法所得的结果一致，但所计算的时间却小于量子力学的计算。分子力学方法常被用于药物，团簇体，生化大分子的研究。2.Materials Studio分子模拟软件（由张老师讲解）
张老师教学循序渐进，条理清晰，以简单的例子具体讲解了MS软件在分子模拟的实际操作，其中涉及了键能.键角对构想的影响，形象明确。张老师给我们讲解运用虚拟实验讲解分子模拟理论基础，可以侧性能，算参数。MS能方便地建立3D分子模型, 深入分析有机晶体、无机晶体、无定形材料以及聚合物, 可以在催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域。
MS在高分子材料中的应用计算机模拟已经应用在高分子科学的各个方面, 包括模拟高分子溶液、表面和薄膜、非晶态、晶态、液晶态、共混体、嵌段共聚体、界面、生物聚合物、高分子中的局部运动、液晶高分子的流变学、力学性质和电活性等。
3.蒙地卡罗计算方法（Monte Carlo method）（由邓老师讲解）
邓老师主要针对分子模拟中的MC对我们进行了简单介绍，没有很深入的讲解，所以比较易懂。并且邓老师作为年轻教师亲切和蔼，讲课认真投入，课堂气 3
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氛很好，由此，我们对蒙地卡罗模拟有了比较基础的认识。
蒙地卡罗计算方法为最早针对庞大系统所采用的非量子计算方法,即MC计算法。蒙地卡罗计算法借由系统中质点（原子或分子）的随机运动，结合统计力学的概率分配原理来得到体系的统计及热力学资料，即根据待求问题的变化规律，构造合适的概率模型，然后进行大量统计实验，使模型的某些统计参量正好是待求问题的解。此种方法多用于研究复杂体系及金属结构及其相变化性质。其弱点在于只能计算统计的平均值，无法得到系统的动态信息，并且利用“随机数”对模型系统进行模拟以产生数值形式的概率分布。蒙地卡罗的缺点是所依据的随机运动并不适于物理学的运动原理，且与其他的非量子计算方法相比并非特别的经济快速。
4.分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation ,MDS）
岳老师年轻有为，有坚固的专业基础与知识，讲课时条理清晰，在总结前三位老师讲解的内容基础上，使我们巩固所学内容，又主要讲解了分子动力学模拟的主要内容。他以实际程序给我们讲解，把复杂的程序清晰地呈现在我们面前，一步步讲解，使我们有更加清楚地认识。MDS是目前最广泛计算庞大复杂体系所采用的方法，并且现已广泛应用于计算物理、化学、材料、生物科学等领域内的一种计算机模拟技术，它的思想是将组成系统的微观粒子视为牛顿经典粒子，将所研究的系统视为经典多体系统，通过选择恰当的场函数来描述系统内微观粒子间相互作用的势函数及系统外加约束条件后，利用牛顿运动定律来求解微观粒子的牛顿运动方程。
岳老师讲解了MDS的应用，可模拟肺部吸入PM2.5粒子或其他粒子时对肺的伤害，肺表面活性剂单层不是磷脂双分子层，需要用分子模拟确定粒子进入肺部的的速度和位置。与蒙地卡罗计算方法相比较，分子动力学模拟系统中粒子的运动有正确的物理依据，并且计算技巧经过许多修改，现已日趋成熟，由于其计算能力强，能满足各类问题的需求。
三．分子模拟与自己专业领域联系的思考
分子模拟不仅在物理、化学的领域用重要作用，也可应用于生物分子方面，比如质粒DNA与链接载体的构建。我的硕士研究课题为生物分子方面，通过构建多酶复合体大分子构建一种底物通道，而构建多酶复合体过程中，需要用一种非
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水解作用的支架将酶连接起来，形成一种分子复合物。可用分子模拟的知识用软件将需要构建的分子模拟预测，形成一个比较直观的印象。分子模拟可模拟包括DNA 的分子模拟、RNA的结构模拟和反义RNA 的分子设计等。在非常详细的层面上跟踪构型变化的过程以及核酸形成的大的生物分子配合物研究。并且,分子模拟是蛋白质空间结构模拟和分子设计的一个很重要的方法。借助于先进的计算机图形工作站,通过图形接口,既可方便地建立多肽、蛋白质分子的初始模型,也可以显示已被测定的蛋白质分子的空间结构。
在构建复杂大分子上，以纤维素酶复合体为例，纤维素酶复合体是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、半纤维素酶通过非水解作用的支架连接，并且会结合识别蛋白。用分子模拟预测它们结合时的折叠状态以及各自位置，可更有效率的构建。
四．结语
转眼32课时的分子模拟课程结束了，研究生的课程模式与本科不同，给了我们更多自由讨论的空间。感谢四位老师的细心讲解，使我们对分子模拟领域有了一定程度的认识，并给以后的分子模拟学习指引了一条道路。我将继续对分子模拟知识进行学习与了解，希望能运用到自己的研究领域，对今后的学习研究大有裨益。
深知自己所懂不多，所懂太少，在今后的学习中，还需拓宽自己的视野，不要只局限于自己的专业领域，广泛涉猎。
