计算模拟代算服务

中科科英围绕AI计算、材料科学、药物的发现与开发、药品申报、生物信息以及化工工艺多种领域，为科研工作者提供深度学习训练、第一性原理计算、分子动力学模拟、计算生物信息学、计算流体力学、地震资料处理等科研方向模拟计算整体解决方案

一、分子性质计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）键长键角二面角：

计算分子的键长、键角、二面角等结构数据。

（2）分子尺寸与体积：

分子体积或原子体积有很多种定义方式，一般选取范德华体积，该计算项目对MOF吸附类课题比较有意义，可从分子体积数据知晓分子进入MOF等材料的方式。

（3）芳香性分析：

芳香性分子在能量、键长、稳定性、反应性、磁诱导电流、电子离域性等方面都有独特的性质。芳香性的判别通常遵循Huckel的4n+2规则。近年来ICSS分析和NICS分析显示出了更大的前景。

（4）HOMO/LUMO：

该计算通常被用来分析分子的反应活性预测，通过研究分子轨道的位置可以预测分子在反应中的反应选择性。

（5）电荷分布：

研究不同环境下原子的带电情况变化。原子电荷是基于对实空间的分割而得到的不可测量，根据空间分割方式而存在多种定义，如Mulliken电荷、Bader（AIM）电荷、Hirshfeld电荷等，不同电荷定义方式各有特点，适用于不同场合，定性定量互有差异。体系中电子总是分布在无穷大的三维空间中。为了方便地研究体系的电性特征，可以设法将三维空间分割为一系列原子空间，每个子空间内的电子认为“从属于”某个原子，由此可以得到被归属于每个原子的电子数，与核电荷数相减得到原子电荷。由此可以辅助判断哪些原子相对带正电或负电。

（6）键级分析：

键级主要用来分析原子间作用的强弱，是衡量原子间相互作用最简单直接的参数。该参数对于横向比较同类化学键的相对强度有很强的实用意义。

（7）偶极矩分析：

偶极矩是分子的固有属性，是对极性分子电荷分布最简单的描述。在文献中一般以XX Debye报道并给出偶极矩向量。

（8）极化率：

分子极化率(molecular polarizability)描述电介质极化特性的微观参数，简称极化率。

（9）静电势分析：

静电势所呈现的性质与其物理意义有直观的呼应。静电势的实际物理意义，等于将一个单位正电荷放在某处后它与此分子产生的静电相互作用能。因静电势分析的图形美观且对于分析相关课题有较多文献支撑，故被大量科研工作者青睐。通常文献中报道的静电势是以电子密度为0.001 e/bohr³的等值面作为分子范德华表面，然后此处静电势以颜色填色在该表面。

（10）Fukui函数：

Fukui（福井）函数是常用的预测反应位点的实空间函数，尤其适合软酸软碱之间的反应（静电势的分析方法更适合用于分析硬酸硬碱反应）。Fukui函数有三类，分别用于预测亲核、亲电、自由基反应位点。预测亲电反应的函数f- = ρ(N) – ρ(N-1)，其中ρ(N)是分子正常状态下的密度函数，ρ(N-1)是分子少了一个电子，或者说分子的净电荷为+1状态下的密度。f-在哪个原子附近数值越大，说明亲电反应越容易发生在哪个原子上。注意计算ρ(N-1)时几何结构必须使用计算ρ(N)时的，这不仅是绘制密度差图的要求，这也是Fukui函数的定义本身所要求的。

（11）激发态研究：

通常分子的荧光磷光等特性无法通过简单的激发态计算。并不是所有的S0到S1的跃迁都是HOMO-LUMO占主导的。对于晶体内分子聚集状态（J聚集、H聚集），系间窜越等的研究更是应该在激发态研究的方法下进行分析，不可以简单用HOMO-LUMO分析。

（12）结合能：

结合能（binding energy）是指当一“物体（体系）”是由两个或多个部分组成时，各组成部分之间一定存在相互吸引力，使它们结合在一起。如果把各组成部分分开到“无穷远”处，当然需要一定的能量来提供克服有关吸引力，即需做功。所需做的功的大小，说明各组成部分结合的紧密程度，称为该物体的结合能。

（13）解离能：

离解能指分子离解能（dissociation energy of molecule），是处于最低能态的一个分子分解为完全独立的原子时，从外界吸取的最小能量。

（14）电离能：

电离能是基态的气态原子失去电子变为气态阳离子（即电离），必须克服核电荷对电子的引力而所需要的能量。单位为kJ·mol^-1。电离能应该为正值因为从原子取走电子需要消耗能量。对于多电子原子，处于基态的气态原子生成气态一价阳离子所需要的能量，称为第一电离能，常用符号I₁表示。由气态+1价阳离子再失去1个电子而变成气态+2价阳离子，这时要吸收的能量叫做第二电离能（I₂），I₃、I₄等可以依此类推，逐级电离能逐步升高。

（15）弱相互作用分析：

离子键以外的非共价相互作用（noncovalent interaction）即为通常大家所说的弱相互作用。近年来，随着Multiwfn软件越来越成熟，其支持的一些弱相互作用分析方法也被广泛使用。目前常用的分析方法有RDG、IGM等。

（16）结合能：

二、光谱预测计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）红外光谱：

红外光谱分析（infrared spectra analysis）指的是利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。

（2）紫外光谱：

具有光学活性的化合物，在紫外一可见光区(200nm～800 nm)范围内，吸收一定波长的光子后，其价电子在分于的电子能级之间跃迁，由此而产生的分子吸收光谱被称为紫外一可见吸收光谱，简称紫外光谱。紫外光谱与电子跃迁有关，在分子中用分子轨道来描述其中电子的状态，分子轨道可以看作是由对应的原子轨道以线性组合而成的。组成分子的两个原子其原子轨道线性组合就形成了两个不同的分子轨道。其中轨道能量低的为成键分子轨道，是由两原子轨道相加而形成的；另一轨道能量高的为反键分子轨道，是由两原子轨道相减而成的。组成键的两个电子均在能量低的成键分子轨道中，一个自旋向上，一个自旋向下。此状态为分子的基态。但当成键的两个电子分别处在成键分子轨道和反键分子轨道时，分子便处在高能态。当分子受到紫外光的照射，并且紫外光的能量恰好等于分子基态与高能态能量的差额时，就会发生能量转移，从而使电子发生跃迁。当电子从基态向激发态某一震动能级跃迁时，通常我们由基态平衡位置向激发态作垂线。若与某一震动能级的波函数最大处相交，即说明在这个能级电子跃迁的概率最大。当电子能级改变时。振动能级和转动能级会有变化，即电子光谱中不但包括电子跃迁产生的潜线，也有振动谱线和转动谱线。由于溶液巾分子问的相互作用，使不同振动一电子跃迁引起的精细结构平滑化，所以得到的紫外光谱是一个很宽的峰。

（3）拉曼光谱：

拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

（4）荧光光谱：

分子吸收光子后，从基态被激发到激发态的过程，以及分子发出光子并完成退激发的过程。荧光技术目前由于其高灵敏性，高选择性，使其在医学检测、卫生检测、药物分析、环境检测、以及生命科学领域方面有着广泛的应用。

（5）磷光光谱：

体系从T1态发射光子返回S0的过程。通过对磷光发射的相关计算，可以预测化合物作为磷光材料的潜质。

（6）核磁光谱：

NMR是有机化合物结构鉴定的一个重要手段,可以根据化学位移鉴定基团，也可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等，还用于研究聚合反应机理和高聚物序列结构。

（7）振动圆二色谱光谱：

振动圆二色谱是在红外波长区域测定分子圆二色性的一种方法。极大地扩展了圆二色谱法通过构象搜索、量子化学计算等手段准确预测手性分子的振动圆二色谱图，进而与实测谱图进行比较确定其绝对构型。是有效测定手性分子绝对构型的常规方法。

（8）电子圆二色谱光谱：

测定蛋白质的立体结构圆二色性对R和L两种圆偏振光吸收程度不同的现象，这种吸收程度的不同与波长的关系称圆二色谱，是一种测定分子不对称结构的光谱法。在分子生物学领域中主要用于测定蛋白质的立体结构，也可用来测定核酸和多糖的立体结构。

（9）旋光度：

旋光度（optical rotation），旋光物质使偏振光的振动平面旋转的角度称为旋光度，旋光物质使偏振光是一个常数，通常用旋光度同特定符号α表示，化合物的比值。

三、化学反应计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）过渡态搜索：

过渡态结构指的是势能面上反应路径上的能量最高点，它通过最小能量路径(minimum energy path,MEP)连接着反应物和产物的结构（如果是多步反应的机理，则这里所指反应物或产物包括中间体）。对于多分子之间的反应，更确切来讲过渡态结构连接的是它们由无穷远接近后因为范德华力和静电力形成的复合物结构，以及反应完毕但尚未无限远离时的复合物结构。确定过渡态有助于了解反应机理，以及通过势垒高度计算反应速率。一般来讲，势垒小于21kcal/mol就可以在室温下发生。在势能面上，过渡态结构的能量对坐标的一阶导数为0，只有在反应坐标方向上曲率（对坐标二阶导数）为负，而其它方向上皆为正，是能量面上的一阶鞍点。过渡态结构的能量二阶导数矩阵（Hessian矩阵）的本征值仅有一个负值，这个负值也就是过渡态拥有唯一虚频的来源。若将分子振动简化成谐振子模型，这个负值便是频率公式中的力常数，开根号后即得虚数。

（2）势能面扫描：

势能面扫描用来考察体系能量随着一个或多个几何变量的改变而发生的改变。势能面扫描有很多实际用处，比如：

1.构造完整势能面或者势能面的子空间。之后基于此可以跑量子动力学、计算反应速率常数时考虑多维隧道效应等等。

2.产生力场参数。一般通过势能面拟合实现。

3.帮助确定搜索过渡态适合的初猜结构。

4.求解振动问题（振动能级、振动平均结构等）。

5.寻找能量较低或最低的构象。

6.帮助弄清楚反应机理、键的解离等化学上感兴趣的过程。

7.考察体系电子结构随几何结构特定方式的改变而发生的变化。

（3）反应位点预测：

反应位点预测通常被用于在反应机理不明确的体系计算中，比如使用自由基降解水中的抗生素，可以通过研究反应位点为降解路径研究提供一个很好的理论支撑。目前比较常用的预测手段有Fukui分析、静电势分析、分子轨道分析、双描述符分析。对于同一分子应当尽量采用不同的预测方法进行研究相互佐证。

（4）反应路径：

反应机理或反应路径描述化学反应中在分子水平上发生的连续步骤。在每一步中，会形成或断开分子键。

（5）反应机理研究：

通过计算化学手段对猜想的反应中间过程进行研究验证的过程。经过该研究可以确定反应中间过程是否合理，以及中间体是否合理，更可以解释反应选择性等客观问题。

四、材料计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）材料几何结构计算：

（1.1）键长：

两个成键原子A和B的平均核间距离。

（1.2）键角：

一个原子与其他两个原子形成的两个化学键之间的夹角叫做键角。

（1.3）二面角：

从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角。

（1.4）晶格常数：

晶格常数（或称之为点阵常数）指的就是晶胞的边长，也就是每一个平行六面体单元的边长，它是晶体结构的一个重要基本参数。

（2）材料电子结构计算：

（2.1）电荷密度：

第一性原理中的电荷密度指的是电子密度。根据哥本哈根解释，量子在空间某处出现的概率密度等于波函数的平方。由此可以得到体系中电子在任一点处的密度。

（2.2）电荷差分密度：

差分密度即为多个体系的密度之差。如考察A和B的结合，可考察D(AB)-D(A)-D(B)，其中D为密度。由此可以直观展现A和B结合前后电子密度在何处积累、又在何处减低。差分密度通常以等值面的方式展示。

（2.3）态密度：

态密度指的是能量为E+dE区间内体系的状态数，反映了周期性体系的能级结构，并且可用于分析周期性体系中的共价作用。

（2.4）投影态密度(PDOS)：

PDOS体现的是特定的片段对DOS贡献的曲线。通常可以将DOS分解为每种原子所贡献的PDOS，以研究不同原子以及原子轨道对电子结构的贡献。

（2.5）表面能：

表面能是从体相创造出单位面积表面所需的能量。

（2.6）迁移能垒：

体相或表面中原子的迁移过程，例如在锂电池等领域的研究中，往往希望寻找相关原子迁移能垒较低的电极材料。

（2.7）费米面：

费米面是最高占据能级的等能面，是当T=0时电子占据态与非占据态的分界面。通过计算材料的费米面能够获得材料中载流子迁移率、电导、电子比热及脱出功等诸多性质。

（2.8）能带：

在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。

（2.9）费米能级：

费米能级为特定温度下周期性体系电子占据概率为0.5的能级，也可当做电子的化学势。典型的半导体其费米能级位于导带底（CBM）和价带顶（VBM）之间。作为费米-狄拉克分布函数中一个重要参量的费米能级E_F，具有决定整个系统能量以及载流子分布的重要作用。

（2.10）自由能校正：

自由能校正中可以引入反应温度，压力对能量的影响，从而进一步考虑pH，电极电势等外界因素对化学势的影响，讨论结果才和真实的实验情况更为接近。

（2.11）功函数：

功函数是指要使一粒电子立即从固体表面中逸出，所必须提供的最小能量。功函数一般是研究的材料表面而非体相的性质，也可以用来研究符合体系中的电子转移情况。

（2.12）杂化泛函：

密度泛函理论（density functional theory，简称DFT）是指从电子密度出发，通过各种近似理论求解Kohn-Sham（KS）方程得到多电子体系能量及其它性质的方法。局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）中没有忽略电子与其自身的相互作用，使得KS轨道离散于整个空间，表现为一定程度上的非局域化。而在传统量化Harteen-Fock（HF）方法中，电子的自相互作用抵消，从而可以正确描述电子间的交换项。杂化泛函能够更好的描述电子自相互作用比较严重的体系，并且可以通过改变线性组合系数来调节HF交换泛函与DFT交换泛函的比例，使得计算结果更为精确，更加的接近实验的真实结果。HSE06是目前运用最广泛的杂化泛函方法，一般适用于半导体体系。

（2.13）氧析出反应/氧还原反应：

OER（Oxygen Emission Reaction,氧析出反应）和ORR（Oxygen Reduction Reaction,氧还原反应）互为逆过程。OER为水失电子生成氧气的电极反应，ORR为氧气得电子生成水的电极反应。通常认为ORR经历以下步骤：

理想情况下每个单电子转移步骤能量变化均为1.23 eV，通过观察实际每步自由能变与1.23的差异可以判断过电势。

（2.14）旋轨耦合：

旋轨耦合又叫自旋轨道耦合，指明了耦合电子的自旋自由度和它的轨道自由度之间的关系，这种关系提供了一种新的方式来控制电子自旋。自旋轨道耦合效应在半导体自旋电子学有很多具体应用，实际研究中根据介质材料所受力的性质和材料结构对称性可以将自旋轨道耦合效应分为Rashba自旋轨道耦合和Dressalhaus自旋轨道耦合。

（2.15）ELF：

在位于给定点并具有相同自旋的参考电子的邻域中找到电子的可能性的量度。用于表征电子的局域化分布特征，ELF的值在0-1之间，取上限1表示电子完全局域化，取0值表示电子完全离域化，取1/2则表示该处电子形成了类似于电子气的电子对分布。

（3）材料力学性质计算：

（3.1）弹性模量：

单向应力状态下应力除以该方向的应变。材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个统称，表示方法可以是“杨氏模量”、”剪切模量“、“体积模量”等。

（3.2）应力模拟：

物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。

（4）材料电磁学性质计算：

（4.1）电场强度：

电场强度是用来表示电场的强弱和方向的物理量。实验表明，在电场中某一点，试探电荷（正电荷）在该点所受电场力与其所带电荷的比值是一个与试探点电荷无关的量。于是以试探点电荷（正电荷）在该点所受电场力的方向为电场方向，以前述比值为大小的矢量定义为该点的电场强度，常用E表示。按照定义，电场中某一点的电场强度的方向可用试探点电荷（正电荷）在该点所受电场力的电场方向来确定；电场强弱可由试探电荷所受的力与试探点电荷带电量的比值确定。

（4.2）磁场模拟：

磁场（Magnetic field）是指传递实物间磁力作用的场。磁场是由运动着的微小粒子构成的，在现有条件下看不见、摸不着。磁场具有粒子的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是相对于观测点运动的电荷的运动的电场的强度与速度，带来的观测点处电荷所受力的变化的表现。

（4.3）磁导率：

磁导率，英文名称：magnetic permeability，表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后，产生磁通的阻力或是其在磁场中导通磁力线的能力。其公式μ=B/H、其中H=磁场强度、B=磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。

（4.4）磁矩：

磁矩是磁铁的一种物理性质。处于外磁场的磁铁，会感受到力矩，促使其磁矩沿外磁场的磁场线方向排列。磁矩可以用矢量表示。磁铁的磁矩方向是从磁铁的指南极指向指北极，磁矩的大小取决于磁铁的磁性与量值。不只是磁铁具有磁矩，载流回路、电子、分子或行星等等，都具有磁矩。

（4.5）介电常数：

介电常数是反映压电智能材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，通常用ε来表示。不同用途的压电元件对压电智能材料的介电常数要求不同。

（5）材料热学性质计算：

（5.1）晶格热导率：

晶体中的热传导可以有两种机构,即导电电子的热传导以及由晶格振动引起的热传导(声子热传导)，由后者所引起的热导率称之为晶格热导率，晶格热导依赖于声子来完成。晶格热导率决定了热能在固体中的传输，影响着热电材料的性能，是新型热电材料研究中的重要指标。

（6）材料晶格动力学性质计算：

（6.1）声子谱：

声子谱是指声子能量与动量的关系，即点阵振动的色散关系，是研究材料热力学性质重要方式之一。

（6.2）声子散射：

声子是一种非真实的准粒子，用来描述晶体原子热运动–晶格振动规律的一种能量量子。当晶体中的载流子运动时，会与热振动的晶格原子之间相互作用，吸收或发射声子；材料中的载流子迁移率以及其他诸多物理性质通常与声子散射息息相关。

（7）材料表面性质计算：

（7.1）粘附功：

互相粘着的两相界面,粘着前后单位表面积界面自由能的变化。粘附现象一般指两个互不相溶的相之间的粘着行为。两个互不溶解的液体之间、液体与固体以及气体与固体之间都可以发生粘附现象。液相与固相之间的粘附称为润湿，所以液固两相的粘附功也称润湿功。粘附功用来说明组成界面的两相之间的粘附强弱。

（7.2）吸附能：

在吸附过程中产生的能量，由于吸附过程中分子的运动速度由快变慢最终停止在吸附介质表面上，所以由于速度的降低有一部分能量将被释放出来，这部分能量被称为吸附能。

（7.3）单原子催化：

单原子催化是一种特殊的负载型金属催化方式，特指载体上的金属组分以单原子分散的形式存在。当催化剂尺寸降低到团簇、单原子时，其能级结构和电子结构等会发生根本性的变化，借此研究其不同于传统纳米催化剂的活性、选择性和稳定性。

五、流体计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）流体流动：

流体是液体和气体的总称，由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力（即粘滞性）。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。

（2）流体传热：

指流体在流动过程中与外界发生热量交换的现象。传热的方式有三种，分别是热传导、热对流和热辐射。热传导是指不同温度的物体在相互接触过程中，热量由高温物体自发的传到低温物体的过程；热对流则是不同温度的流体因搅拌、流动引起流体质点宏观位移而导致的传热过程；辐射传热是涉及辐射能从热源（固体、液体、气体）向热阱传递的过程。

六、相变计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）二元相图：

二元相图又称二元系相图，英文名称binary diagram，是表示系统中两个组元在热力学平衡状态下组份和温度、压力之间的关系的简明图解。最初，相图通过大量实验得到。随着计算材料学的发展，以分子动力学为基础的计算相图成为得到相图的一种高效手段。

（2）三元相图：

三元系统是包括三个独立单元的系统，三元相图即三元系统的相图。工业上所使用的金属材料，如各种合金钢和有色合金，大多由两种以上的组元构成，这些材料的组织，性能和相应的加工，处理工艺等通常不同于二元合金，因为在二元合金中加入第三组元后，会改变原合金组元间的溶解度，甚至会出现新的相变，产生新的组成相。

（3）相图模拟：

相图是指采用的热力学变量不同构成不同的相图。材料学工作者最关心的是凝聚态。相图不能说明平衡过程的动力学，不能判断体系可能出现的亚稳相。

狭义相图（Phase diagram），也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。

广义相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的集合表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。

（4）多相平衡图计算：

相平衡图又叫平衡图或状态图，是将实验测得的多相平衡的温度、压力及各相组成的关系用图形表示出来的一种研究多相平衡的方法。

（5）热化学计算：

研究物理和化学变化过程中热效应的规律。以热力学第一定律为基础。以在卡计中直接测量热效应为重要实验方法。热化学的数据（如燃烧热、生成热等）在热力学计算、工程设计和科学研究、安全工程等方面都具有广泛的应用。

七、蛋白质分子计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）蛋白三维模型搭建：

（1.1）同源建模：

从蛋白质的氨基酸序列出发，以实验解析的同源蛋白质的三维结构为模板，模建出目标蛋白质三维结构的方法。是可信度较高的一种蛋白质结构建模方法。

（1.2）从头建模：

从蛋白质的氨基酸序列出发，模建出目标蛋白质三维结构的方法。

（2）蛋白三维结构分析计算：

（2.1）蛋白在不同pH下的三维结构变化：

蛋白质结构是指蛋白质分子的空间结构。蛋白质主要由碳、氢、氧、氮等化学元素组成，是一类重要的生物大分子，所有蛋白质都是由20种不同氨基酸连接形成的多聚体，在形成蛋白质后，这些氨基酸又被称为残基。本计算研究蛋白在不同pH下的三维结构变化。

（2.2）蛋白在不同温度下的三维结构变化：

蛋白质结构是指蛋白质分子的空间结构。蛋白质主要由碳、氢、氧、氮等化学元素组成，是一类重要的生物大分子，所有蛋白质都是由20种不同氨基酸连接形成的多聚体，在形成蛋白质后，这些氨基酸又被称为残基。本计算研究蛋白在不同温度下的三维结构变化。

（2.3）蛋白在不同电场下的三维结构变化：

蛋白质结构是指蛋白质分子的空间结构。蛋白质主要由碳、氢、氧、氮等化学元素组成，是一类重要的生物大分子，所有蛋白质都是由20种不同氨基酸连接形成的多聚体，在形成蛋白质后，这些氨基酸又被称为残基。本计算研究蛋白在不同电场下的三维结构变化。

（2.4）不同溶剂中蛋白的结构变化研究：

蛋白质结构是指蛋白质分子的空间结构。蛋白质主要由碳、氢、氧、氮等化学元素组成，是一类重要的生物大分子，所有蛋白质都是由20种不同氨基酸连接形成的多聚体，在形成蛋白质后，这些氨基酸又被称为残基。本计算研究蛋白在不同溶剂中的三维结构变化。

（3）分子对接计算：

（3.1）蛋白质-小分子对接：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对蛋白质-小分子对接体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解蛋白-小分子之间相互作用机理。

（3.2）蛋白-蛋白对接：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对蛋白-蛋白对接体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解蛋白-蛋白之间相互作用机理。

（3.3）蛋白-多肽对接：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对蛋白-多肽对接体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解蛋白-多肽之间相互作用机理。

（3.4）蛋白-核酸对接：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对蛋白-核酸对接体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解蛋白-核酸之间相互作用机理。

八、分子对接计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）蛋白质-小分子对接：

（2）核酸-小分子对接：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对核酸-小分子对接体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解核酸-小分子之间相互作用机理。

（3）小分子-小分子对接：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对小分子-小分子对接体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解小分子-小分子之间相互作用机理。

（4）蛋白-蛋白对接：

（5）蛋白-多肽对接：

（6）蛋白-核酸对接：

（7）半柔性对接：

指受体分子保持刚性不变，配体分子构象在一定范围内变化。能够在考虑柔性影响的同时，保持较高的计算效率。一般用于大分子和小分子之间的对接，找到底物分子和受体分子最佳结合位置及其结合强度。研究受体生物大分子和配体小分子的相互作用，预测亲和力，多用于药物设计和虚拟筛选。

（8）刚性对接：

在对接过程中受体与配体结构均不发生改变，仅改变分子的空间位置与姿态，是一种形状上的互补或相互作用。计算所用时间最短，适合于处理大分子之间的对接，如蛋白与蛋白的对接或蛋白与核酸的对接。分析关键结合位点，主要考虑分子之间的契合程度。

九、动力学研究计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）溶解聚集动力学研究：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对溶解聚集体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解溶解聚集过程。

（2）分子与碳纳米管的相互作用分析：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对分子-碳纳米管体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解分子与碳纳米管的相互作用。

（3）两个分子间相互作用力的动力学研究：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对分子-分子体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解分子与分子的相互作用。

（4）生物体系的弱相互作用分析：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对生物体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解生物体系的弱相互作用。

（5）受体-配体组装过程：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对受体-配体体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解受体-配体组装过程的相互作用。

（6）结合自由能分析：

是指存在于配体与受体之间的相互作用。计算结合自由能不仅可以评估实验测定的配体与受体亲和能，还可以作为药物设计的参考。

（7）材料体系的高分子构象预测：

分子构象无序程度的热力学函数。对于由成千上万个C—C单键所组成的高分子链，每个单键围绕其相邻的单键做不同程度的内旋转，分子内原子在空间的排布方式随之不断地变更而取不同的构象。若以W表示高分子链在空间全部可取的构象数，则高分子链的构象熵S与W之间的关系服从玻尔兹曼公式：S=KlnW。这里K是玻尔兹曼常数。当高分子链取伸直形态时，构象只有一种，构象熵等于零。如果高分子链取蜷曲形态，则分子可取的构象数将很大。构象数越大，相应的构象熵就越大，分子链蜷曲越厉害。由熵增原理，孤立高分子链在没有外力作用下总是自发地采取卷曲形态，使构象熵趋于最大。这就是高分子链柔性的实质。

（8）材料与溶液界面性质：

任何材料都有与外界接触表面或与其他材料区分的界面,材料的表界面在材料科学中占有重要的地位。材料的表面与其内部本体,无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别,这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的,而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的,因此产生了表面能。对于不同组分构成的复合材料,组分与组分之间可形成界面,某一组也可能富集在材料的表面上。即使是单组分的材料,由于内部存在的缺陷(如位错等)或者晶态的不同形成晶界,也可能在内部产生界面。材料的表面界面对材料整体性能具有决定性的影响,材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、黏结、复合等,无不与材料的表界面密切有关。

（9）粗粒化模拟：

粗粒化(coarse-grained)模型在计算生物物理研究中越来越引起人们的关注，由于在该模型中定义了粗粒化粒子，对应于全原子模型中的若干原子或原子基团甚至分子，减少了体系中的粒子数，使得模拟的时间和空间尺度得以大幅度提高，但同时也将丢失原子细节信息。

十、动力学后数据分析计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）回旋半径（RMSF）：

回旋半径是描述蛋白质紧密型的一个物理量，半径越小说明致密性越好，即蛋白质结构就越稳定。

（2）径向分布函数（RDF）：

径向分布函数是一个在凝聚态物理里面经常用到的参数。它给出了how density varies as a function of distance from a reference particle(粒子密度随着距离的变化)，实际上g(r)的定义是，在r到r+dr之间的平均粒子密度比上总平均的粒子密度。

（3）扩散系数：

表示气体（或固体）扩散程度的物理量。扩散系数是指当浓度梯度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的气体量。

（4）能量分析：

统计能量分析是从能量观点研究和分析振动与声的统计处理方法。基本思想是避开求解复杂的数理方程，代之以统计的方法研究系统各部分之间能量的传递和平衡，以得到简明的物理解答。一个系统可划分为若干个贮存能量的振动方程式群，称为子系统。在一定的频带范围内，每个子系统可以用其能量的时间空间平均值、简正方式的数目和表示能量损耗的损耗因数描述。在稳态情况下，可建立各子系统的能量平衡方程式。若子系统有m个，则可得到一个含有m-1个元的线性代数方程。这样，复杂的数理方程的求解就变成了简单的代数方程组的求解。统计能量分析已成功地用在航空和宇航结构对噪声的响应，汽车车厢内的声场及建筑构件隔声等问题。

（5）氢键数量分析：

氢键是自然界广泛存在的一种分子间作用力，在化学、物理、生物过程中起至关重要的作用，近年来在超分子、弹性体、自修复等领域扮演着重要角色。氢键是生物大分子结构及其相互作用的主要几何决定因素，借助原位红外等分析手段可以对氢键进行定性分析。

（6）亲疏水性分析：

氨基酸的疏水性（Hydrophobicity）反映蛋白质的折叠情况，在潜在的跨膜区域会出现疏水区，并且在保持蛋白质的三级结构上（比如维持生物膜的结构）起重要作用。蛋白的亲疏水性（Hydropathicity/ Hydrophobicity）图谱可为蛋白跨膜区域的鉴定提供参考。

十一、药物相关内容计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）药物衍生物库设计：

在先导化合物结构优化阶段，药物化学家往往会基于先导物的骨架结构进行衍生化，以期获得活性更高、药代性质更理想或者毒性更低的化合物。相对于人为经验设计衍生物的方法，计算机辅助药物设计也许提供更快速的药物发现途径。现有的药物虚拟筛选手段，如分子对接、QSAR预测模型、药效团等，都是可以对含有大批量结构的化合物库进行快速筛选的。

（2）虚拟筛选：

基于药物设计理论，借助计算机的技术和专业应用软件，模拟目标靶点与候选药物之间的相互作用，快速地从上百万分子中挑选出具有潜力的先导化合物。目前作为一种经典且高效的方法，广泛应用于药物研发中，大大缩短研究周期和研发成本。

（3）预测药物与蛋白的结合位点：

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟是一套分子模拟方法，是研究凝聚态系统的有力工具。通过分子动力学模拟，研究者得到体系原子的运动轨迹，可观察到原子运动过程的各种微观细节。通过对研究体系的动态模拟，我们能够在分子水平上理解生物大分子的运动与生物功能、蛋白-小分子之间相互作用机理、纳米材料分子的自组装过程。分子动力学模拟是理论计算和实验方法的有力补充，广泛应用于物理、化学、材料科学和生物医药等领域。

（4）成药性预测：

据候选药物结构特征预测其成药性，是一种高效率和低成本发现具有明确药用价值候选小分子新药的重要应用。

（5）毒性分析：

细胞毒性是许多药物未能走向临床应用的主要原因，在药物筛选的早期对药物毒性进行有效评估对提高药物转化率有重要意义，尽早发现药物潜在的毒性可节约大量的研发成本。高内涵筛选基于细胞数量、细胞核形态、细胞膜通透性、线粒体电位、细胞色素C释放等指标的检测，可对肝脏毒性、心脏毒性及肾脏毒性等进行有效评估。

（6）QSAR预测模型构建：

定量构效关系(Quantitative Structure Activity Relationship, QSAR)是指选择一定的数学模式，对药物分子的化学结构与其生物活性间的关系进行定量分析，找出结构与活性间的量变规律。

十二、发光二极管仿真计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）能带图：

发光二极管，简称为LED，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。

（2）IV曲线：

光伏曲线的I-V输入输出特性曲线。

（3）IQE：

当光子入射到光敏器材（如CCD等）的表面时，被吸收的那部分光子会激发光敏材料产生电子空穴对，形成电流，把产生的电子(没有诸如电子空穴复合过程引起的电子损失)与被吸收的光子之比叫作内量子效率(internal quantum efficiency)。

（4）载流子分布图：

载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴引）被视为载流子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。在电场作用下能作定向运动的带电粒子。如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，放电气体中的离子等。

（5）辐射复合率：

根据能量守恒原则，电子和空穴复合时应释放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合。

（6）电场分布图：

（7）分析器件物理机制：

半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.1～0.2μm左右。

十三、半导体激光器模拟计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）能带图：

（2）载流子分布图：

（3）2D/3D电势：

静电场的标势称为电势，或称为静电势。在电场中，某点电荷的电势能跟它所带的电荷量（与正负有关，计算时将电势能和电荷的正负都带入即可判断该点电势大小及正负）之比，叫做这点的电势（也可称电位），通常用φ来表示。电势是从能量角度上描述电场的物理量，电场强度则是从力的角度描述电场。电势差能在闭合电路中产生电流（当电势差相当大时，空气等绝缘体也会变为导体）。电势也被称为电位。

（4）电场和电流分布图：

（5）2D/3D光强分布图：

表示光源给定方向上单位立体角内光通量的物理量，国际单位为坎德拉，符号：cd，以前又称烛光、支光。

（6）2D/3D局部光增益分布图：

表示光源给定方向上单位立体角内光通量的物理量，国际单位为坎德拉，符号：cd，以前又称烛光、支光。

（7）多模式辐射光谱：

辐射指的是能量以波或是次原子粒子移动的型态传送。辐射之能量从辐射源向外所有方向直线放射。

（8）分析器件物理机制：

十四、太阳能电池仿真计算&培训：

（一）选择计算内容：

（1）能带图：

（2）隧穿结I-V特性曲线：

采用先进的微制造技术已能够制造尺度和电容非常小的隧穿结。外电极-隧穿结-岛之间形成一个电容器-隧穿结-电容器。单电荷现象产生条件是隧穿结电容的充电能应该远大于热能。一般来说，隧穿结的电容应该小于10F，已经制造出的金属-绝缘体-金属隧穿结、半导体异质结构中的隧穿结就具有这样小的电容。由于在金属和半导体中电荷密度有很大差别，其相应的物理也不同。已经对用纳米光刻技术制造的金属-绝缘体-金属隧穿结的单电子现象进行了广泛的研究。