分子动力学仿真简介.ppt

分子动力学仿真简介,汇报：宋继光,2010年4月,分子动力学的起源,世界上第1例计算机仿真是由Metropolis，Rosenbluth，Teller于1953年在LosAlamos美国国家实验室进行的关于液体的仿真。此后计算机仿真取得了飞速发展。,分子动力学仿真的意义, 可提供大量的精确数据, 信息的一般化, 预测事物发展的趋势,原子：0.1-5nm,微观：20-1000nm,细观：10-50 m,宏观：1mm-1cm,发展高强度，耐磨，耐热材料。 认识规律，指导生产,分子动力学仿真的应用领域,医药,生物,新能源,材料,化学,机械,分子动力学仿真的基本原理, 系统模型的建立, 质点的运动方程, 分子间的相互势能,系统模型的建立,选择一个由N个粒子组成的分子动力学元胞，加上边界条件构成分子动力学一般模型。研究问题不同，边界条件不同，通常根据具体的研究问题，选取的边界条件有周期性边界条件，固定边界条件，混合边界条件（周期性边界条件加固定边界条件）。,质点的运动方程,原子间的相互作用力可通过势函数对原子间距离rij求导得出，公式如下：,作用在第i原子上的总原子力等于其周围所有其它原子对该原子作用力之合力，即：,Fi=Fij (ij),图1 笛卡儿坐标系中的径矢ri，rj及i ，j质点间的连接矢量rij,分子间的相互势能,图2 势能函数与力随原子间距的变化,分子动力学软件,表1 分子动力学软件对比,Materials Explorer 软件简介,Materials Explorer（下简称ME）是由日本FUJITSU公司开发的一种高效的商业化的多用途分子动力学（MD）软件包，适用于Windows操作系统的个人计算机和Linux系统的集群式计算机。ME软件功能非常强大，可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液、流体、液体和气体的相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等。,基本用户导向模块,ME的基本用户导向模块，提供建模、结果分析等用户工具界面。作为ME的基本模块，它整合各种计算引擎和物性预测模块，进行统一界面下统一管理。用户可以基于研究目的随意整合各个模块，提高工作效率。,图3 ME基本界面,建模,ME具有较强的建模功能。ME可以使用户在操作界面当中进行晶体结构的建立、编辑等工作。根据建模需要，可以建立缺陷、原子置换、原子插入等编辑，并可方便的建立、修改超晶胞、表面和界面等。,图4 ME固体建模实例,图5 Solution Modeler建立的空气模型,建立液体和气体模型,原子置换工具,用户可利用该工具对已经建好的模型内部的原子进行置换。,图6 KCl中K离子置换成Na离子,超晶胞的建立,利用对单晶胞的复制来创建指定大小的超晶胞。,图7 晶体的堆叠建立,晶体生长与吸附,Molecular Generator进行原子沉积，用于晶体生长和薄膜吸附的模拟。同时借助晶胞旋转控制晶体的生长方向。,图8 晶体生长和吸附,模拟计算,模拟条件,选定力场,模拟条件,图9 模拟条件确定界面,选定力场,Materials Explorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场可供用户选择。此外用户还可以自己为其需要而编辑自己的势值。,图10 选定力场界面,结果分析,3D Atomic Configuration Module显示体系的快照、轨迹和动力学体系的动画。,图10 晶体变迁的动画演示,图形曲线,显示关于随着时间改变，温度、压力、内能和其它性质的2D图像的变化情况。,图11 模拟结果的二维显示,分析功能, 针对于X-ray和中子衍射的干扰函数 径向分布函数 均方位移 研究体系包利用Voronoi多面体对材料微结构进行分析 研究体系包括高分子材料、生物大分子等物质的气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、缺陷等 热传导率分析。加强了多光源设定、材料特性显示、图像单元显示等可进行高效描述的图形功能,计算服务管理,ME包含整合网络技术的作业管理系统。与独立的作业排队系统结合，能在远程计算机上自动处理作业调度、计算结果管理。这一可选的终端服务器功能模块使得在矢量机或者对称多处理UNIX服务器上的高性能计算成为可能。,图12 ME工作的网络结构,材料的特性在很大程度上取决于原子的结构、排列及其运动。深入掌握原子运动规律对理解材料的变形与破坏的机理是至关重要的。但由于原子尺度在埃量级，直接进行观察很困难。在这种背景下，对材料的原子尺度进行数值模拟就显得越来越重要。分子动力学模拟不仅能得到被模拟系统总的特性和某些感性趣的行为，而且还能像做试验一样地进行观