Real-time Biomolecular Simulations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:McGraw-Hill

作者:Peters, Michael H.

出品人:

页数:160

译者:

出版时间:2007-1

价格:$ 197.75

装帧:HRD

isbn号码:9780071460712

丛书系列:

图书标签:

• Biomolecular Simulation
• Molecular Dynamics
• Computational Biology
• Biophysics
• Real-time Simulation
• Algorithms
• High-Performance Computing
• Proteins
• DNA
• RNA

深入探索：现代材料科学与工程的计算方法 本书旨在为研究人员、高级本科生和研究生提供一个全面而深入的指南，专注于现代材料科学与工程领域中的计算模拟方法。 本书聚焦于描述和预测宏观材料性能如何源于其原子和分子尺度的结构与动力学。我们不探讨生物分子模拟，而是将重点放在无机材料、聚合物、软物质以及新兴功能材料的模拟技术上。内容涵盖了从基础理论框架到高级应用案例的广泛领域，旨在使读者能够熟练地应用和开发用于解决复杂工程问题的计算工具。 第一部分：计算材料科学的理论基石 (Foundations of Computational Materials Science) 本部分首先为读者打下坚实的理论基础，介绍驱动所有分子模拟的核心物理原理和数学框架。 第一章：量子力学基础与第一性原理计算 (Quantum Mechanics Foundations and First-Principles Calculations) 本章详述了描述电子结构的量子力学原理，包括薛定谔方程的推导及其在材料系统中的应用。重点讨论了密度泛函理论（DFT）的核心概念，包括 Kohn-Sham 轨道、交换-关联泛函的选择及其对计算准确性的影响。我们将详细剖析各种泛函（如 LDA, GGA, Meta-GGA）的优缺点，并深入探讨计算晶体结构、电子能带结构、态密度以及宏观物理性质（如弹性常数、铁电性）的计算流程。此外，本章还将介绍如何处理周期性边界条件下的计算，以及如何有效管理大型体系的计算成本，包括基组选择和赝势的应用。 第二章：分子动力学模拟的理论框架 (Theoretical Frameworks for Molecular Dynamics Simulation) 本章是分子动力学（MD）模拟方法的理论核心。我们从牛顿运动方程出发，详细阐述了如何将系统演化转化为数值积分问题，重点分析了 Verlet 算法及其变体的稳定性和精度。系统温度、压力和能量的控制至关重要，因此本章将深入探讨各种热浴和压控器（如 Nosé-Hoover、Langevin 动力学），并对比它们在不同物理系统中的适用性。势能函数（力场）的构建是 MD 模拟成功的关键，本章将分类讨论原子间相互作用势（如 Lennard-Jones、Coulomb 相互作用）以及针对共价键、离子键体系的精确力场（如 Tersoff, ReaxFF）的参数化方法和局限性。 第三章：蒙特卡洛方法与统计力学 (Monte Carlo Methods and Statistical Mechanics) 本章聚焦于统计力学在计算模拟中的应用。我们将详尽介绍经典蒙特卡洛（MC）方法的原理，特别是 Metropolis 准则及其在采样构象空间中的作用。本章将系统地阐述如何利用 MC 方法计算热力学平均值，并深入探讨高级采样技术，如 Umbrella Sampling、Metadynamics 和 Replica Exchange MC，这些技术对于克服势能面上的高能垒和稀有事件采样至关重要。此外，本章还将连接 MC 模拟结果与统计力学术语，解释如吉布斯自由能、化学势等关键热力学量的计算途径。 第二部分：面向工程应用的模拟技术 (Simulation Techniques for Engineering Applications) 本部分将理论知识转化为解决实际工程问题的实用工具，涵盖了跨越时间尺度的多尺度建模策略。 第四章：尺度间的桥梁：多尺度建模与耦合 (Bridging Scales: Multiscale Modeling and Coupling) 现代材料问题往往涉及从皮米级到微米级的广泛尺度。本章专门探讨如何有效地连接不同尺度的信息。我们将详细分析介观模拟方法，特别是相场（Phase Field）模型在描述材料微观结构演变（如晶界迁移、析出动力学）中的应用。重点讨论基于力学的多尺度方法（MEAM/Coupled QM/MM），分析如何将高精度的量子力学计算结果映射到更低尺度的经典力场中，以及反向的映射策略。本章还将介绍如何利用粗粒化（Coarse-Graining）技术，从原子级模拟中提取参数来驱动介观或连续介质模型。 第五章：缺陷、界面与输运现象的模拟 (Defects, Interfaces, and Transport Phenomena Simulation) 材料的性能通常由缺陷和界面决定。本章将深入探讨如何利用计算方法研究点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和平面缺陷（晶界、表面）的形成能、迁移机制和对电子结构的影响。在输运模拟方面，我们将详细阐述如何结合 MD 或 DFT 计算激活能，进而利用阿累尼乌斯关系或更精确的反应坐标方法来计算扩散系数、离子电导率和热导率。界面工程，例如金属/氧化物界面或半导体异质结的电子结构调控，也将作为核心案例进行分析。 第六章：高通量计算与数据驱动材料发现 (High-Throughput Computing and Data-Driven Materials Discovery) 随着计算资源的增长，系统地探索庞大的材料相图成为可能。本章介绍高通量（HT）计算的工作流程，包括自动化的结构弛豫、性质筛选脚本的编写，以及如何将结果组织到材料数据库中。重点讨论如何利用贝叶斯优化、遗传算法等机器学习技术，结合 HT 计算数据，进行正向材料设计——即根据目标性能反向推导出所需的材料组成和结构。本章还将涉及计算材料科学中“数据管理”和“计算可重复性”的关键实践。 第三部分：特定材料体系的计算案例研究 (Case Studies in Specific Material Systems) 本部分将前两部分的理论和方法应用于当前研究热点中的具体材料体系，展示计算模拟的强大预测能力。 第七章：先进陶瓷与能源材料的计算建模 (Computational Modeling of Advanced Ceramics and Energy Materials) 本章聚焦于高熵氧化物、钙钛矿太阳能电池材料以及固态电解质。我们将展示如何使用 DFT 预测氧化物的相稳定性、晶格畸变和氧离子扩散路径。对于钙钛矿体系，重点讨论如何模拟缺陷工程对载流子寿命和非辐射复合的影响。在电池材料方面，通过 MD 模拟研究电极/电解质界面的稳定性，以及离子在无序固态电解质中的跳跃机制。 第八章：聚合物与软物质的动力学模拟 (Dynamics Simulation of Polymers and Soft Matter) 软物质模拟需要处理长链拓扑结构和时间尺度上的挑战。本章将介绍构建适用于聚合物的粗粒化模型（如 MARTINI 力场）的方法，并讨论如何模拟聚合物的结晶过程、玻璃化转变温度（Tg）的确定。案例研究将包括聚合物/纳米填料复合材料的界面相互作用及其对宏观力学性能的影响，以及液晶或嵌段共聚物中的自组装行为。 第九章：机械响应与断裂行为的模拟 (Simulating Mechanical Response and Fracture Behavior) 本章探讨如何用计算模拟来预测材料在应力下的行为。我们将分析拉伸、压缩等单轴加载下的弹性模量和屈服强度的计算方法。对于断裂力学，重点介绍如何利用分子动力学模拟裂纹的萌生和扩展过程，例如模拟准脆性断裂中的能量耗散机制。此外，本章还将涉及粘弹性行为的模拟，以及如何将分子尺度上的弛豫时间与宏观蠕变行为联系起来。 总结与展望：计算材料学的未来方向 本书最后将对当前计算材料科学领域的前沿挑战进行总结，包括对非平衡态过程的更精确描述、机器学习在势能面构建中的深入融合，以及如何将模拟结果更直接地转化为可用于工程设计规范的参数。本书致力于培养读者批判性地评估模拟结果的能力，并激励他们利用计算工具推动材料科学和工程的创新。

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