計算機在材料科學與工程中的應用分子動力學

計算機在材料科學與工程中的應用——計算材料學(分子動力學)

郝艷

授課章節(jié)授課教師1.實驗設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)處理賀小春

2.Origin的應用3.計算材料學（第一性原理）易勇4.計算材料學（分子動力學）郝艷5.實驗環(huán)節(jié)李延波分子動力學1.介紹分子動力學的基本原理及步驟2.分子動力學在MaterialsStudio（MS）中的實現(xiàn)

重點講解Discover、Forcite的應用實例

原則上,第一原理方法在理論上已經(jīng)能解決所有問題，但計算量太大，計算機資源有限，原子數(shù)目較多時，如高分子、蛋白質(zhì)、原子簇以及研究表面問題、功能材料或材料的力學性能等，實際上難以完成計算。

為此，發(fā)展了分子力學(MolecularMechanics,MM)與分子動力學(MolecularDynamics,MD)方法，MM與MD是經(jīng)典力學方法，針對的最小結(jié)構(gòu)單元不再是電子而是原子。因原子的質(zhì)量比電子大很多，量子效應不明顯，可近似用經(jīng)典力學方法處理。20世紀30年代,Andrews最早提出分子力學的基本思想；40年代以后得到發(fā)展,并用于有機小分子研究。90年代以來,隨著計算機技術(shù)和計算算法的發(fā)展而得到迅猛發(fā)展和廣泛應用。在材料科學,用于材料的優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)與力學性能、熱加工性能預報、界面相互作用、納米材料結(jié)構(gòu)與性能研究等；在化學領(lǐng)域，用于表面催化與催化機理、溶劑效應、原子簇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究等；在生物科學和藥物設(shè)計領(lǐng)域的應用也十分普及，如蛋白質(zhì)的多級結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，病毒、藥物作用機理、特效藥物的大通量篩選與快速開發(fā)等。

MM和MD的應用，通常稱作分子模擬(molecularsimulation,molecularmodeling)或分子設(shè)計(moleculardesign)。

MM是確定分子結(jié)構(gòu)的方法，是分子的靜態(tài)勢函數(shù)，利用分子勢能隨結(jié)構(gòu)的變化而變化的性質(zhì)，確定分子勢能極小時的平衡結(jié)構(gòu)(stationarypoint)；而實際過程通常是在一定溫度和一定壓力下發(fā)生的，為了更切實際地了解體系運動和演化的過程，必須考慮體系中原子的運動，并與溫度T和時間t建立聯(lián)系；

MD含溫度與時間,還可得到如材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱容、晶體結(jié)晶過程、輸送過程、膨脹過程、動態(tài)弛豫(relax)以及體系在外場作用下的變化過程等。分子動力學模擬應用實例晶體結(jié)構(gòu)確定及性能預測——飽和脂肪酸大分子晶體結(jié)構(gòu)確定及性質(zhì)預測（西班牙巴賽羅那大學）高溫相晶體結(jié)構(gòu)晶體中的分子以強烈的氫鍵形成二聚體而整齊排布分子模擬方法與粉末衍射實驗分析方法結(jié)合分析復雜分子的晶體結(jié)構(gòu)行之有效分子動力學模擬應用實例晶體形貌研究——吸附劑分子對Al2O3晶體各個面生長速率的影響（加拿大Alberta大學）吸附能的排列次序與實驗觀察到的各個面的生長速率倒數(shù)成正比兩個具有最低吸附能的晶面在晶體生長過程中其主導作用，并最終決定晶體的宏觀形貌分子模擬方法可實現(xiàn)晶體生長形貌預測及控制什么是分子動力學

經(jīng)典分子動力學將原子視為經(jīng)典粒子，通過求解各粒子的運動方程得到不同時刻粒子的空間位置、運動狀態(tài)，從而統(tǒng)計出材料的宏觀行為特性。

MD是用計算機方法來表示統(tǒng)計力學，用來研究不能用解析方法來解決的復合體系的平衡和力學性質(zhì)，是理論與實驗的橋梁。分子商動力謹學的賽基本拉思想經(jīng)典疾力學珠定律分子靠動力翼學中羞處理溜的體慌系的徹粒子狼遵從航牛頓鼓方程刃，即式中戒是跑粒子改所受沈的力躲，在為出粒子紅的質(zhì)鑄量，椅是艇原子i的加細速度搬，原派子i所受策的力桃可以吹直接招用勢撿能函最數(shù)對模坐標枕的堤一階煙導數(shù)勁，即題，其駱中U為勢能陽函數(shù)剃（簡狐稱勢駕函數(shù)躺或力改場），因旨此對N個粒憂子體希系的狹每個漁粒子腿有求解刻這組神方程揉要通皇過數(shù)堪值方曉法，近即給出現(xiàn)體系激中每袖個粒仁子的州初始攤坐標建和速態(tài)度，從看而產(chǎn)吧生一宰系列德的位湊置與抵速度撐，即突為任薄意時咳刻的爹坐標采和速屬度。分子湊動力大學方東法工蕩作框洲圖相互作用溫度、壓力運動方程式原子坐標位置三維結(jié)構(gòu)原子的坐標，速度動力學性質(zhì)原子的運動熱力學性質(zhì)（輸入信息）（輸出信息）（二次信息）勢函宮數(shù)或力擁場軌跡:分子允動力徑學整打個過托程中伐的坐早標和溪速度基稱為膽軌跡恭。經(jīng)典戒分子呈動力析學的站適用萌范圍分子琴動力怠學方呆法只需考慮諒多體贊系統(tǒng)萄中原品子核側(cè)的運鈴動，面而電尾子的枕運動做不予河考慮越，量臣子效故應忽己略。量子化能量簡諧振動能<<捷1300K時，KBT=2.5J/mol臨界頻率=

6.25×1012S-1因此乳，經(jīng)禿典分憂子動重力學不適硬用：相對郊的高要頻率雷的運何動；吐涉及踢電荷糾重新璃分布俱的化莖學反疊應、殼鍵的鄭形成裹與斷刻裂、洽解離追、極齒化以棋及金騙屬離哀子的障化學悼鍵等登等。建立一個由N個粒子（分子）組成的模擬體系解N個粒子（分子）組成的模擬體系的牛頓運動方程直至平衡，平衡后進行材料性能的計算對模擬結(jié)果進行分析真實實驗的操作步驟準備試樣將試樣放入測試儀器中進行測量測量結(jié)果的分析非常相似分子王動力盯學模敞擬實稀施步抽驟啟動計算設(shè)定坐標、速度的初始值t+Δt計算作用于原子上的力Fi計算物理量并對其結(jié)果進行統(tǒng)計處理結(jié)束t>tmaxYN時間更新回路分子煌動力急學運辟行流組程圖時間乳步長——參考該原子唇或分收子特皮征運智動頻嚼率來嘴選取分子動力學模擬的核心在應滴用軟世件的述實際峰操作科中，辯需要斃設(shè)置程的參鄭數(shù)還拌很多圖，包逗括溫腥度、設(shè)壓力吊、力義場、腫算法今等等去。第一償性原編理分蚊子動法力學用分辣子動蘭力學室方法翻討論泰材料背的結(jié)旱構(gòu)、程相變舉及力達學性娛質(zhì)，左已經(jīng)床被廣權(quán)泛的和研究均，其緣瑞勢函撒數(shù)的糞選取技有很未多種陶，諸蜓如Le祖nn測ar評d-脆Jo住ne遲s勢分奮子動倡力學伏、Mo算rs鬼e勢分鄰子動閥力學薦方法攜等。針對攝不同愿的材淺料，悠構(gòu)建躲介觀狼條件鉗下的苗對勢挺，取拒決于恢對材綁料介控觀結(jié)鉤構(gòu)的沙深刻錘理解愉，這邊給勢御函數(shù)朵的構(gòu)忌建帶凈來一己定的限困難松，從聯(lián)而給故經(jīng)典閥分子鍬動力氣學的灑模擬蛛帶來薦困難巴。隨首著密猛度泛芽函理嗚論的爬發(fā)展愈，第窩一性叛原理晃方法盲可解后決這描些困言難。19疊85年，Ca口r和Pa晃rr煌in焰el叼lo提出怪第一洲性原炸理分劃子動流力學診方法紛，第捐一性辜原理崇分子涉動力菊學方隱法的愉勢場哭直接籍來源康于電海子結(jié)著構(gòu)的押計算罩，而丑不是狐經(jīng)驗稠勢。重點旅模塊涉及釣模塊Di告sc害ov米er：是Ma乎te鐵ri蠟al鼻s崗St束ud王io的分旱子力麻學計猜算引道擎，適用責于很飯大范胡圍的馬分子效和材旺料。Fo吉rc芽it捷e：先土進的杰分子賭力學冤和分貼子動殼力學晃模擬金程序株。Ma板te博ri抓al嫂s蒙Vi帖su鍛al客iz促er：MS的核輩心模役塊，犧提供乖建模陪、分析和瓦可視韻化的滴工具墻。Am忘or怖ph挨ou希s雜Ce爆ll：構(gòu)逗建復堡雜無肆定形具模型冰并預御測關(guān)晚鍵性質(zhì)，口一般霧與Di毯sc泥ov芬er、Fo查rc引it枕e連用木。分子逮動力截學在Ma脊te杯ri碎al飽s脆St幫ud念io（MS）中的副實現(xiàn)本課到程所襲使用藏的軟嫂件Ma分te偽ri阿al善s流St惹ud芒io狗7拋.0Di佳sc豈ov凳er是Ma致te津ri臨al憶s亂St羞ud類io的分滿子力朵學計智算引宵擎為Am數(shù)or凱ph毯ou偽s擠Ce誕ll、Fo多rc葵it灣e等模凍塊提迎供了揮基礎(chǔ)緩計算逗方法槐。計算搭最低均能量安構(gòu)象給出或不同不系綜協(xié)下體錯系結(jié)狂構(gòu)的載動力擁學軌搜跡得到醒各類滔結(jié)構(gòu)產(chǎn)參數(shù)熱力撞學性檔質(zhì)力學碰性質(zhì)動力汽學量振動猴強度Di遺sc遮ov冶er攪S掠et阿up菜單\E嬌ne粉rg瓶yCo駁mm負pa緒ss感:是第削一個茶把有招機分洽子體受系與拔無機徑分子衰體系再統(tǒng)一雪的分貓子立潛場。篩適合籮于共腳價分約子體夫系，京包括蠟大多評數(shù)常屆見有機藝物、無機佛物和聚合柔物、辰金屬靈、金移屬氧拘化物灑和金風屬鹵伶化物。Pc開ff：po躬ly哲me畝r掀co大ns符is根te插nt回f湖or嫩ce咳f傻ie船ld，基概于CF該F9盲1力場五發(fā)展涌而來娘，適嬸用于憤聚合掀物及瓶有機群物。勵可用劉于聚碳艦酸酯菊類、冬多糖嘩類等獎聚合綱物、悠無機弓和有燃機材株料，包括存約20種金屬屬(L同i,因K少,柳Cr青,以Mo屋,押W,清F收e,芹Na茶,盤N打i,瞧Pd報,安P習t,Cu機,贊Ag綱,趟Au祝,海Al魄,俯Sn踩,自Pb）、糖類妹、脂稀類和柱核酸芒，以炮及惰訊性氣率體(H味e,流N故e,走K湖r,覺Xe呀)。Cv懲ff：Co燦ns拘is紡te皺nt旬v嘩al噴en總ce失f留or器ce腹f館ie研l(wèi)d，一挽致性穗價力跌場，稻最初景以生別化分煙子為配主，太經(jīng)不江斷強守化，求可適唐用于話計算多肽拼、蛋乒白質(zhì)啞與大央量的鞏有機降分子葡。Di能sc趙ov碗er叫S駝et呀up伍\N勞on遍-b拐on典d設(shè)置啟相互沖作用產(chǎn)力：范德陶華力拿（vd肉W）庫侖確力（Co思ul虜om技b）范德污華和泰庫侖擊力（vd始W&趕Co康ul判om即b）計算摘方法沒（Su鋸mm宗at業(yè)io倉n運me變th欄od）：基于絕原子仁的總們量（At睜om驕B敏as戰(zhàn)ed）適合港于孤崗立體愧系，采對于旋周期錯性體桌系計是算量鼠較小膛，但抓是準賢確性首較差基于渡電子輸群的吉總量蔥（Gr藝ou錯p荒ba但se瓜d）適合拴于周催期性糧和非盞周期暑性體卸系，輪計算拆的準崖確性駁好一灶些，鋒計算竭量最傳小基于左指定撿數(shù)量疏層（Ce浙ll椅M抄ut障ip運ol林e）不采恨用截益斷方次法（No訊C算ut澇of診f）適合禿于周礦期性果體系撐，計迫算最賞為準慢確，峰但計月算量痰最大精度打（Qu盼al價it眉y）：Co智rs猾e（粗閑略）Me損di亮um（中敗等）Fi崇ne（精覺細）Ul情tr搜a-凈fi擦ne（超肆精細斧）Jo腥b昌Co礦nt呼ro貫l菜單Di浩sc孩ov限er碧M離in驚im燦iz篇at督io允n優(yōu)化帽方法那（Me靠th事od）：綜合遍法(S去ma礙rt慌M渣in獵im貢iz紗er技)：綜合摟以下什三種梅方法壁。最速賺下降垮法(S微te餃ep訴es適t侵De限sc炎en腔t)：計算嘴簡單懶，速頸度快啄，但很在極沖小值障附近錫收斂么性不預夠好械，造君成移止動方角向正硬交，阻適用永于優(yōu)票化的腸最初嘴階段幟。共軛只梯度間法(C剖on語ju查ga執(zhí)te翠g蕉ra條di薯en奧t)：收斂避性較廢好，愁但對膊分子子起始天結(jié)構(gòu)桶要求推較高卻，因脹此常舍與最睬速下食降法揭聯(lián)合新使用怒，先牲用最將速下帆降法腎優(yōu)化淘，再劑用共競軛梯波度法苗優(yōu)化食至收盤斂。牛頓厚法(N石ew闖to傳n)：計算暫量較徑大，震當微鄭商小誰時收億斂快蛇，也緞常與透最速岸下降咳法聯(lián)蹲合使緒用悟。Co受nv帽er未ge啞nc努e倍le彈ve觀l：收寇斂精洪度水她平Ma滲xi屋mu云m瓶in求te源ra常ti悶on：最槐大迭僵代數(shù)Op悔ti藏mi汽ze蜂r偉ce櫻ll：選蜻中的會話表藥示優(yōu)偵化晶稠胞參樣數(shù)和蒜原子篩位置Di耐sc遇ov督er搞M重ol福ec成ul譽ar計\D狗yn捕am省ic紹sEn廈se瞧mb蹤蝶le：系應綜Te基mp斯er莖at犬ur幅e：目慕標溫走度Pr沉es序su復re：給津系統(tǒng)淋所施蛇加的存壓力Nu動mb草er袖o柄f漏st哪ep站s：整廈個動膽力學羨所運勒行的盡總步醒數(shù)Ti甘me土s悉te孕p：每迫一動竊力學沈步驟嬸所花哄費的哈時間蠅（單莖步長敵時間哀）Dy烤na島mi君cs跨t耐im校e：Nu呈mb交er蜘o叛f浪st毛ep并s×州Ti識me放s管te磨p（總劉模擬符時間鑒）Tr淋aj撞ec香to里ry匹S芹av挖eCo性or壞di電na姻te稱s表示隔保存傾坐標Fi沈na妙l枕St遙ru據(jù)ct肢ur申e表示倡只保時存最欄終結(jié)銜構(gòu)Fu賀ll表示撒保存漠所有感。Fr順am振e受ou恭tp篇ut顏e乖ve隙ry：若逆輸入50府00，則塊表示俘每50屯00步輸撇出一龜幀（賠即晶殃體結(jié)懂構(gòu)）贈。字母笨含義途如下奸：N=固定醉粒子添數(shù)V=固定昂體積E=固定幕能量T=固定彎溫度P=固定駛壓強H=固定企焓系綜銜（En鼓se行mb打le）速率濤法（Ve眨lo濕ci輪ty坐S土ca身le）：系統(tǒng)壇溫度蘭和粒陷子的路速度俯直接禿相關(guān)盾，可旋以通喬過調(diào)櫻整粒防子的制速度赴使系葡統(tǒng)溫碌度維唉持在呆目標壇值。No而se釀a帖nd還A互nd迅er魚se愿n：控丸制熱寺力學匪溫度郵并生意成正拖確的晉統(tǒng)計犯系綜佩的概怖率，潤熱力廈學溫貸度不勇變，饞允許員模擬亞系統(tǒng)美交換斧能量兩的“幸熱浴舟”。Be釀re譯nd謙se掠n:包括溪之間共的熱珍能交太換系胡統(tǒng)和奪熱浴魚，允勝許指姑定衰皇減常發(fā)數(shù)的偉值。注：No涼se法適洪用于鎖自相俗關(guān)研數(shù)究，光速率侮法和An倒de牧rs互en法不謀適應葵于不纏連續(xù)映軌跡床和速冠度的桃自相板關(guān)研熄究。Se形tu悼p菜單計算鑄任務(wù)免（Ta娘sk）：單點慎能計臥算幾何另優(yōu)化動力泄學模撤擬淬火鈴模擬退火冬模擬剪切物模擬限制柴性剪勤切模門擬內(nèi)聚牛能密汗度計伐算力學舟特性繼計算精度仆控制摸（Qu疑al剃ig首y）幾何菊優(yōu)化讓的參輛數(shù)設(shè)篩置AB蝴NR法：賭改良眉后的Ne求wt院on猾-R就ap崇hi貪on法，收常用疏于生院物分培子體痰系。淬火需模擬焦的參爬數(shù)設(shè)撿置退火淚模擬怨的參畫數(shù)設(shè)忠置內(nèi)聚兆能密吵度計集算的刪參數(shù)勿設(shè)置Se扒tu久p菜單--還--緒-Co泥he隊si美ve呈E怨ne莖rg盛y鄭De偵ns臣it然/M塵or計e計算先分子葛內(nèi)相筐互作樓用輸出St撤ud繼y秒Ta思bl終e文件St手ud快y這ta杯bl辱e中包電括輸利入的究結(jié)構(gòu)卷文件力學傭特性姜計算準的參中數(shù)設(shè)率置Se蘋tu搞p菜單--筍--侍-Me五ch廚an車ic耳al菜P彎ro袍pe首rt拔ie望s/緒Mo熊re優(yōu)化忌結(jié)構(gòu)明確循應變琴模式屠中產(chǎn)遭生的刪應變鵝數(shù)目推薦數(shù)使用效偶數(shù)雞值（2-疏10碧0）指出嚼結(jié)構(gòu)彈最大且的形嶺變值在之間皂較為鉗合理應變巾模式村（St上ra豎in全P脅at旱te盟rn）應變蠻張量保矩陣廢，由簽結(jié)構(gòu)射對稱鍋性決貫定CO濫MP注AS纖S力場適合耽于共要價分糟子體遍系，闊包括大多何數(shù)常境見有荒機物掙、無霸機物懇和聚樸合物抖、金屬橡、金叨屬氧覽化物醒和金非屬鹵球化物。?Gr拋ou梢p醫(yī)A共價仆模型鑼，有即機物槽、聚虧合物輩和氣盛體分鉛子?Gr前ou似p沉B離子取模型丹，金釘屬、努金屬賣氧化抱物、垮金屬畏鹵化剪物、撐沸石（0點K）CO挎MP芒AS魄S2敘6增加們二苯驚醚、恥苯腈叉、疊艙氮化肢物、里醇類上新參皺數(shù)，涂改進能甲烷堤的參雄數(shù)CO這MP奪AS保S2筑7加入錘二硫嚴鍵基嗚團的造參數(shù)CO岡MP裹AS粗S加入味硫酸邁根、壇磺酸霜根基清團的穿參數(shù)CO葬MP詠AS序S力場適合悉于共俱價分叼子體路系，道包括大多普數(shù)常姐見有峰機物律、無治機物挽和聚拆合物乞、金屬闊、金聲屬氧指化物史和金思屬鹵墳化物。?Gr由ou休p辣A共價托模型格，有瀉機物掩、聚刮合物帶和氣丸體分詳子?Gr恒ou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