分子動力學(xué)仿真簡介.ppt

1、分子動力學(xué)仿真簡介,匯報：宋繼光,2010年4月,分子動力學(xué)的起源,世界上第1例計算機(jī)仿真是由Metropolis，Rosenbluth，Teller于1953年在LosAlamos美國國家實驗室進(jìn)行的關(guān)于液體的仿真。此后計算機(jī)仿真取得了飛速發(fā)展。,分子動力學(xué)仿真的意義, 可提供大量的精確數(shù)據(jù), 信息的一般化, 預(yù)測事物發(fā)展的趨勢,原子：0.1-5nm,微觀：20-1000nm,細(xì)觀：10-50 m,宏觀：1mm-1cm,發(fā)展高強(qiáng)度，耐磨，耐熱材料。 認(rèn)識規(guī)律，指導(dǎo)生產(chǎn),分子動力學(xué)仿真的應(yīng)用領(lǐng)域,醫(yī)藥,生物,新能源,材料,化學(xué),機(jī)械,分子動力學(xué)仿真的基本原理, 系統(tǒng)模型的建立, 質(zhì)點的運動方程

2、, 分子間的相互勢能,系統(tǒng)模型的建立,選擇一個由N個粒子組成的分子動力學(xué)元胞，加上邊界條件構(gòu)成分子動力學(xué)一般模型。研究問題不同，邊界條件不同，通常根據(jù)具體的研究問題，選取的邊界條件有周期性邊界條件，固定邊界條件，混合邊界條件（周期性邊界條件加固定邊界條件）。,質(zhì)點的運動方程,原子間的相互作用力可通過勢函數(shù)對原子間距離rij求導(dǎo)得出，公式如下：,作用在第i原子上的總原子力等于其周圍所有其它原子對該原子作用力之合力，即：,Fi=Fij (ij),圖1 笛卡兒坐標(biāo)系中的徑矢ri，rj及i ，j質(zhì)點間的連接矢量rij,分子間的相互勢能,圖2 勢能函數(shù)與力隨原子間距的變化,分子動力學(xué)軟件,表1 分子動力

3、學(xué)軟件對比,Materials Explorer 軟件簡介,Materials Explorer（下簡稱ME）是由日本FUJITSU公司開發(fā)的一種高效的商業(yè)化的多用途分子動力學(xué)（MD）軟件包，適用于Windows操作系統(tǒng)的個人計算機(jī)和Linux系統(tǒng)的集群式計算機(jī)。ME軟件功能非常強(qiáng)大，可以用來研究有機(jī)物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體等晶體、非晶體、溶液、流體、液體和氣體的相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強(qiáng)度、缺陷等。,基本用戶導(dǎo)向模塊,ME的基本用戶導(dǎo)向模塊，提供建模、結(jié)果分析等用戶工具界面。作為ME的基本模塊，它整合各種計算引擎和物性預(yù)測模塊，進(jìn)行統(tǒng)一界面下統(tǒng)一管理。用戶可以基于研究

4、目的隨意整合各個模塊，提高工作效率。,圖3 ME基本界面,建模,ME具有較強(qiáng)的建模功能。ME可以使用戶在操作界面當(dāng)中進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的建立、編輯等工作。根據(jù)建模需要，可以建立缺陷、原子置換、原子插入等編輯，并可方便的建立、修改超晶胞、表面和界面等。,圖4 ME固體建模實例,圖5 Solution Modeler建立的空氣模型,建立液體和氣體模型,原子置換工具,用戶可利用該工具對已經(jīng)建好的模型內(nèi)部的原子進(jìn)行置換。,圖6 KCl中K離子置換成Na離子,超晶胞的建立,利用對單晶胞的復(fù)制來創(chuàng)建指定大小的超晶胞。,圖7 晶體的堆疊建立,晶體生長與吸附,Molecular Generator進(jìn)行原子沉積，用于

5、晶體生長和薄膜吸附的模擬。同時借助晶胞旋轉(zhuǎn)控制晶體的生長方向。,圖8 晶體生長和吸附,模擬計算,模擬條件,選定力場,模擬條件,圖9 模擬條件確定界面,選定力場,Materials Explorer軟件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63個力場可供用戶選擇。此外用戶還可以自己為其需要而編輯自己的勢值。,圖10 選定力場界面,結(jié)果分析,3D Atomic Configuration Module顯示體系的快照、軌跡和動力學(xué)體系的動畫。,圖10 晶體變遷的動畫演示,圖形曲線,顯示關(guān)于隨著時間改變，溫度、壓力、內(nèi)能和其它性質(zhì)的2D圖像的變化情況。,圖11 模擬結(jié)果的二維顯示,分析功能

6、, 針對于X-ray和中子衍射的干擾函數(shù) 徑向分布函數(shù) 均方位移 研究體系包利用Voronoi多面體對材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 研究體系包括高分子材料、生物大分子等物質(zhì)的氣體相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強(qiáng)度、缺陷等 熱傳導(dǎo)率分析。加強(qiáng)了多光源設(shè)定、材料特性顯示、圖像單元顯示等可進(jìn)行高效描述的圖形功能,計算服務(wù)管理,ME包含整合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作業(yè)管理系統(tǒng)。與獨立的作業(yè)排隊系統(tǒng)結(jié)合，能在遠(yuǎn)程計算機(jī)上自動處理作業(yè)調(diào)度、計算結(jié)果管理。這一可選的終端服務(wù)器功能模塊使得在矢量機(jī)或者對稱多處理UNIX服務(wù)器上的高性能計算成為可能。,圖12 ME工作的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),材料的特性在很大程度上取決于原子的結(jié)構(gòu)、排列及其運動。深入掌握原子運動規(guī)律對理解材料的變形與破壞的機(jī)理是至關(guān)重要的。但由于原子尺度在埃量級，直接進(jìn)行觀察很困難。在這種背景下，對材料的原子尺度進(jìn)行數(shù)值模擬就顯得越來越重要。分子動力學(xué)模擬不僅能得到被模擬系統(tǒng)總的特性和某些感性趣的行為，而且還能像做試驗一樣地進(jìn)行觀