从头算分子动力学（AIMD）将电子结构计算与经典力学轨迹传播相结合，每一步都在当前原子构型下重新求解电子方程获得受力，从而无需经验力场即可描述化学键断裂、电荷转移与极化效应。Gaussian 软件不仅擅长静态量子化学计算，其 ONIOM 与直接动力学（direct dynamics）模块也可执行 Born-Oppenheimer 分子动力学（BOMD），特别适用于小分子反应动力学与溶液中的构象采样。
本项目以甘氨酸（glycine）在水环境中的动力学为对象，利用 Gaussian 的 BOMD 功能（DFTB 半经验方法以控制成本）进行 10 ps 的分子动力学模拟，分析温度控制、能量守恒与分子的构象稳定性，评估从头算动力学在生物小分子模拟中的可行性。
BOMD 的每一步执行：读取当前原子坐标 → 自洽求解电子结构方程获得总能与梯度 → 由梯度计算原子受力（F = −∂E/∂R）→ 用数值积分算法（如 Verlet 类）更新坐标与速度 → 循环。与经典 MD 不同，BOMD 不需要预先定义力场参数，其”势能面”由电子结构计算即时生成，因此能自然描述极化与电荷转移效应。
直接动力学通常采用微正则系综（NVE，能量守恒）或通过速度标定/恒温器（如 Berendsen、Nosé-Hoover）实现正则系综（NVT）。本模拟采用 NVT 恒温器将体系温度维持在 300 K。恒温器通过调整原子速度使动能平均值对应目标温度，但瞬时温度仍围绕设定值波动（涨落约 ±30 K），这是热平衡的统计本质。
对含水溶剂的生物小分子体系，全电子从头算（HF/DFT）的 BOMD 计算成本高昂。密度泛函紧束缚（DFTB）方法通过参数化的哈密顿量在保持电子结构物理内涵的同时将计算速度提升 2–3 个数量级，是 Gaussian 中可用的经济方案，特别适合构象采样与反应路径预筛。
图 8 的左面板给出模拟过程中体系瞬时温度的时间演化（红色曲线），黑色虚线标注目标温度 300 K。温度在 300 K 附近持续波动，幅度约 ±30 K（220–380 K 区间内波动），没有出现系统性漂移或发散，说明恒温器正常工作、体系达到热平衡。瞬时温度的涨落是有限粒子体系动能的统计涨落体现，其幅度与体系自由度相关，属正常物理现象；重点在于平均值稳定于 300 K 且无长期漂移，这保证了后续统计分析的系综代表性。
图 8 的右面板给出势能（蓝色曲线）的相对变化。在 10 ps 模拟中，势能在均值附近小幅振荡，整体漂移小于 0.05 kJ/mol/原子，没有出现能量发散或骤变。能量稳定性验证了 BOMD 轨迹的数值质量：每一步 SCF 收敛足够精确、步长选择合理，电子-核运动耦合带来的能量波动得到有效控制。稳定的能量轨迹意味着模拟未发生”人工加热”或电子态跃迁导致的非物理行为，采样轨迹可用于构象统计与热力学量计算。该能量守恒检验是论文中”从头算动力学质量验证”的必需环节。
两面板结合，左面板验证了温度控制（系综正确性），右面板验证了能量守恒（数值稳定性），共同证明 Gaussian BOMD 模拟可靠地描述了甘氨酸在水中的动力学，为后续分析氨基酸构象偏好、氢键动态与溶剂化结构提供了可信轨迹。
本项目利用 Gaussian BOMD（DFTB）模拟了甘氨酸-水体系 10 ps 的动力学，温度稳定于 300 K（涨落 ±30 K），势能漂移小于 0.05 kJ/mol/原子，轨迹数值可靠。案例图以温度时间序列与能量演化双面板呈现。
后续可拓展：(1) 统计甘氨酸二面角分布与构象转变事件，绘制自由能曲面；(2) 分析水分子氢键网络的动态重排与溶剂化壳层结构；(3) 沿反应坐标开展直接动力学，模拟氨基酸脱羧等化学反应的动态路径。
