分子模拟原理及应用.ppt

1、Bi2Te3的分子动力学模拟，姓名：刘晓学号： 2013207248级：应用化学1级专业：电化学学院：化工学院，主要内容：1.分子模拟技术概要2 .包括圆孔Bi2Te3在内的单晶拉伸变形的分子动力学模拟3 .不同温度Bi2Te3纳米丝力学性能分子动力学、1 .分子模拟技术简介、1.1分子模拟概念分子模拟是80年代初兴起的计算机辅助实验技术，利用计算机以原子级分子模型模拟分子的结构和行为，模拟分子系统的各种物理化学性质。 它在实验的基础上，通过基本原理，建构一系列模型和算法，订正合理的分子结构和分子行为，进而研究化学反应的路径、过渡状态、反应机理等非常重要的问题。1.2分子模拟技术的应用分子模拟

2、不仅可以模拟分子的静态结构，还可以模拟分子系统的动态行为(如氢键的会合和解缔、吸附、扩散等)。 分子模拟技术目前在分子筛催化剂、高分子材料及其固体化学、无机材料的研发领域应用十分广泛。2 .含圆孔的Bi2Te3单晶拉伸变形的分子动力学模拟、2.1模型和模拟方法首先制作了无孔模型，尺寸为24. 4 nm12. 8 nm3. 0 nm (分别沿x、y和z方向)，原子个数为N=28 560。 然后，如图1所示，在几何学的中心切取原子的一部分，形成直径4. 30 nm的圆孔(切取原子的数1，340 )，形成原子的总数n=27，220的模型。 原子尺度应力的修正计算采用virial形式。 这个方法是从能

3、量的观点给出的原子应力的表现式。 virial形式的应力修正方法已广泛应用于分子动力学仿真，因为它易于实施。 其表达式是ij=-1/V (Mvivj 1/2Firj) (1)式中，v是模拟系统箱的体积，vi是原子的I方向的速度成分，Fi是原子和I方向的相互作用力，rj是原子和j方向的距离。 可知式(1)修正模拟系体积内的原子的平均应力。 式中的第一项是与原子的热运动相关的动能项，第二项是与变形相关的电势项。2.2应力应变曲线和结构演化分析采用公式(1)校正系统应力值，得到负荷中的应力应变曲线。 图2显示的是有孔Bi2Te3单晶摇滾乐低温时单轴拉伸的应力-应变关系。 另外，图2的拉伸曲线选择应变

4、=5%时的应力(x )分布图3时，在圆孔的边缘发现应力集中，该应力集中的现象与利用连续介质力学观察宏命令材料类似，因为图3的点a和b的应力(x=6. 8 GPa )几乎远离孔，所以在此首先发生破裂应变=6. 4%时，对应强度极限为3. 2 GPa。 随着应变的进一步增加，应力集中部位出现突然地裂纹，并逐渐向模型外缘扩展至断裂，最终应力急剧下降至0。 图3=5%时的应力(x )分布，2.3单轴拉伸力学分子模拟结果表明，在拉伸过程中，孔的边缘存在应力集中现象，模型的破坏从孔逐渐扩展。 发现在云同步中，线弹性阶段的原子排列总是保持规则的形状，在圆孔边缘存在应力集中。 一旦发生破坏，应力集中部就会产生

5、突然地裂纹，并逐渐向模型的外缘扩展直至破裂。 从应力应变曲线和拉伸过程中的原子配置变化可知，包含孔的Bi2Te3单晶材料的单轴拉伸的破坏形态作为脆性破坏的特征出现。Bi2Te3属于斜方晶系，通常为了方便可以看作六面体的层状结构，在该结构的同一层具有相同的原子种类。 从沿z轴的方向看，原子配置如下所示的： Te1BiTe2BiTe1。 如图1所示，Te1原子的最近是邻接层的3个Bi原子和3个Te1原子，Te2原子的最近是邻接层的6个Bi原子。其中Te2Bi键是共价键，Te1Bi键是共价键和络离子键，它们在相邻层Te1Te1之间的相互作用相对较弱，主要是范德瓦尔斯力。 因此，Bi2Te3晶体在这方

6、面容易产生劈开。 3、不同温度Bi2Te3纳米丝力学性能分子动力学仿真，3.1温度影响图4是不同温度下Bi2Te3纳米丝沿x轴方向拉伸的应力应变曲线。 图5是弹性模数、极限强度、破坏应变随温度的变化。 受温度的影响，应力应变曲线的斜率随温度上升而逐渐下降。 弹性模数、极限强度、破坏应变也降低。 沿图4的x轴的抗拉应力失真曲线与相同尺寸的Bi2Te3块摇滾乐相比，在各温度点纳米丝的弹性模数、极限强度、破坏失真低至不同程度。 纳米丝和布摇滾乐体的弹性常数、极限强度和破坏应变随温度上升而减少。图5的沿x轴的拉伸模量、极限强度、破坏应变的温度变化、3.2温度影响模拟结果分析、各温度点的单轴拉伸结果分析其原因是，随着温度升高，原子热振动加剧，热激活能增大，原来如此原子的运动偏离原来的平衡位置，原子间的键强度变弱，但应注意的是，相同方向的拉伸不同、改变传统的实验理念，在科研开发过程中确立新的、完善的、先进的科研开发过程，当今时代是信息时代，是计算机时代，为了适应这一发展，必须大力应用分子模拟技术，创造科