1.3.3多尺度與介觀體系的MD模擬

在不同尺度分別采用不同模型的模擬方法，并不適用所有的研究體系及其物 理化學(xué)過程。例如渦流現(xiàn)象，分別從連續(xù)流體力學(xué)或分子模擬角度都難以解決問 題，必須采用多尺度模擬方法［弼。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，藥物分子發(fā)生藥效的過程，涉及藥物分子的溶解與運(yùn)輸、藥物分子與蛋白質(zhì)受體的相互作用、蛋白質(zhì)分子的 構(gòu)型變化等多個(gè)時(shí)間尺度，必須利用量子化學(xué)計(jì)算、AIMD模擬、MD模擬、粗 粒度MD模擬等方法研究。

特別是在模擬生物大分子的行為與性質(zhì)時(shí)，模擬體系經(jīng)常包含遠(yuǎn)超過生物分子的溶劑水分子，模擬過程中大部分計(jì)算時(shí)間消耗在對(duì)溶劑水分子的模擬上，嚴(yán)重制約了模擬效率的提高。但實(shí)際上，只有與生物分子直接接觸的水分子，才對(duì)生物分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)產(chǎn)生直接的影響，而沒有與生物分子直接接觸的水分子，對(duì)生物分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)沒有直接的影響。

一方面，通過引入粗粒度模型， 對(duì)溶劑水分子進(jìn)行粗粒度化處理，可以降低模擬計(jì)算量、提高模擬效率ML另 一方面，如果把與生物分子沒有直接接觸的溶劑水分子以連續(xù)介質(zhì)模型替代，實(shí)現(xiàn)多尺度MD模擬，可以進(jìn)一步節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高模擬效率。事實(shí)上，與生 物分子有關(guān)的物理、化學(xué)、生物過程速度緩慢，必須演化很長時(shí)間才能達(dá)到模擬 的目標(biāo)，沒有功能強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)和優(yōu)秀的模擬算法無法實(shí)現(xiàn)MD模擬的目標(biāo)。 因此，多尺度MD模擬是現(xiàn)代分子模擬方法的重要發(fā)展方向。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，雖然MD模擬是研究原子、分子在近距離運(yùn)動(dòng)中形成微 晶等結(jié)構(gòu)的有效手段，但是利用MD模擬方法難以研究微晶排列等介觀結(jié)構(gòu)及 其變化［63］。全原子MD模擬是研究單個(gè)原子運(yùn)動(dòng)和行為的有力手段，但材料的 制備過程和服役行為與大量原子的集體運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，這是MD模擬難以實(shí)現(xiàn) 的目標(biāo)。材料的斷裂過程，涉及化學(xué)鍵的斷裂、原子和晶界的移動(dòng)、裂紋的生成 和擴(kuò)散等過程，不但需要利用量子化學(xué)計(jì)算、MD模擬、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模擬等在 多個(gè)不同尺度進(jìn)行模擬，還需要研究不同尺度之間的相互耦合［68-70］。

事實(shí)上，與 材料性質(zhì)密切相關(guān)的是其介觀結(jié)構(gòu)，而介觀結(jié)構(gòu)的形成時(shí)間短者在毫秒以上，長 者可達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，特別是與材料的服役行為有關(guān)的過程更可長達(dá)數(shù)年到數(shù) 十年。利用模擬方法研究如此長的時(shí)空跨度內(nèi)原子的運(yùn)動(dòng)及其對(duì)晶界結(jié)構(gòu)的影 響，晶粒的生成、生長、消失，晶界的形成，不但需要功能更強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)， 更需要模擬方法、算法、理論的發(fā)展，才能適應(yīng)材料科學(xué)與工程的需要。因此， 必須在需要時(shí)保持原子尺度的模擬精度，在不需要原子尺度的精度時(shí)以更宏觀的 介觀或連續(xù)介質(zhì)模型近似模擬對(duì)象。利用MD模擬研究發(fā)生在原子層面的現(xiàn)象, 用連續(xù)介質(zhì)模型研究宏觀層面的現(xiàn)象，并用粗粒度模型把分子力場(chǎng)模型和連續(xù)介質(zhì)模型有機(jī)地結(jié)合起來。這樣的模擬，不但是對(duì)體系模型和模擬算法的考驗(yàn)，也是對(duì)模擬理論的考驗(yàn)，是MD模擬發(fā)展的重要研究方向。