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分子动力学入门：你的第一个LAMMPS模拟

2026-06-27·1 min read·多尺度模拟

什么是分子动力学

MD通过在每个时间步求解牛顿运动方程(F=ma)来模拟原子运动。给定了初始位置、速度和力场(势能函数)，MD预测系统如何随时间演化。

对于生物材料研究，MD可以回答：

胶原微纤维的杨氏模量是多少？
水分子如何与丝素蛋白表面相互作用？
蛋白质在拉伸载荷下会发生什么？

安装LAMMPS

LAMMPS来自Sandia国家实验室，是最广泛应用的开源MD代码。

方法一：预编译二进制（推荐新手）


sudo apt install lammps        # Linux (Ubuntu/Debian)
brew install lammps             # macOS
# Windows: https://packages.lammps.org/windows.html

方法二：Conda（跨平台）


conda create -n lammps -c conda-forge lammps -y
conda activate lammps

验证安装：


lmp_serial -h

LAMMPS输入脚本结构

一个LAMMPS输入文件有四个基本部分：


# 1. 初始化
units           real        # 能量: kcal/mol, 距离: 埃
atom_style      full        # 原子带电荷、分子ID
boundary        p p p       # 所有方向周期性边界

# 2. 系统设置
region          box block 0 30 0 30 0 30
create_box      2 box       # 2种原子类型
create_atoms    1 random 500 12345 box

# 3. 力场
pair_style      lj/cut 10.0
pair_coeff      1 1 0.155 3.166  # O-O LJ参数

# 4. 运行
velocity        all create 300.0 12345
fix             nvt all nvt temp 300.0 300.0 100.0
thermo          100
dump            traj all custom 100 dump.lammpstrj id type x y z
run             10000

第一个模拟：水盒子

用TIP3P模型模拟500个水分子在室温下：


# water.lammps
units           real; atom_style      full
bond_style      harmonic; angle_style     harmonic

read_data       water_box.data
pair_style      lj/cut/coul/long 10.0 10.0
kspace_style    pppm 1e-5

minimize        1e-4 1e-6 1000 10000     # 能量最小化
velocity        all create 300.0 12345
fix             nvt all nvt temp 300.0 300.0 100.0
run             50000                     # NVT平衡
fix             npt all npt temp 300.0 300.0 100.0 iso 1.0 1.0 1000.0
run             100000                    # NPT生产

关键参数

参数	含义	典型值
------	------	--------
timestep	积分步长	1.0-2.0 fs
cutoff	非键作用截断距离	10-12 埃
temperature	系统温度	300 K(室温)
NVT	恒粒子数/体积/温度	平衡阶段
NPT	恒粒子数/压力/温度	生产阶段

常用力场

力场	适用	参考文献
------	------	---------
OPLS-AA	蛋白质、有机分子	Jorgensen (1996)
CHARMM36	蛋白质、核酸	Best (2012)
AMBER ff19SB	蛋白质	Tian (2020)
ReaxFF	反应体系、断键	van Duin (2001)
Martini	粗粒化生物分子	Marrink (2007)

轨迹分析


import MDAnalysis as mda
from MDAnalysis.analysis import rdf

u = mda.Universe("water_box.data", "dump.lammpstrj")
oxygen = u.select_atoms("type O")
rdf_oo = rdf.InterRDF(oxygen, oxygen, nbins=200, range=(0, 10.0))
rdf_oo.run()

常见问题

问题	解决
------	------
"Lost atoms"错误	减小timestep或增大neighbor list skin
能量不收敛	更长最小化或用更软的初始条件
模拟太慢	用GPU(Kokkos)或更粗的力场

参考资料

LAMMPS文档: docs.lammps.org
MDAnalysis: mdanalysis.org
Allen & Tildesley (2017). Computer Simulation of Liquids. Oxford.
GitHub: lammps/lammps