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1、3团簇研究中的原子间势函数33蔡文生林翼邵学广(中国科学技术大学化学系合肥230026)摘要原子间势函数在团簇结构和性质的理论研究中十分重要。本文将模拟团簇原子间相互作用的势函数划分成三类,对各类势函数的发展状况进行了综述;并对原子间势函数与最优化方法和分子动力学相结合,在团簇结构和性能研究中的应用和发展方向进行了讨论。关键词团簇原子间势函数优化算法分子动力学模拟中图分类号:O641文献标识码:A文章编号:10052281X(2005)0420588209InteratomicPotentialFuncti
2、oninClusterResearch33CaiWenshengLinYiShaoXueguang(DepartmentofChemistry,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)AbstractInteratomicpotentialfunctionsarecrucialinclusterresearch.Thepotentialfunctionsappliedinsimulatingtheinteractionsofatom
3、sinclustersareclassifiedintothreetypes,andthedevelopmentofeachtypeisreviewed.Theapplicationscombinedwithoptimizationmethodsandmoleculardynamicsinstudyingthestructuresandpropertiesoftheclusters,andthetrendsinthepotentialfunctionsarediscussed.Keywordscluster
4、;interatomicpotentialfunction;optimizationalgorithm;moleculardynamicssimulation当前对团簇有关结构、热力学和动力学的计算机模拟研究,常用的方法有分子力学法(molecularmechanics)、分子动力学法(moleculardynamics)和蒙特卡洛法(MonteCarlo)。分子力学法利用势函数来计算原子间的相互作用能,结合最优化算法使系统总势能最小化,来预测复杂团簇的能量最低结构。分子动力学法在选定势函数的情况下,利用牛
5、顿运动方程来模拟系统内各个原子的运动状态,从而获得体系的各个状态量、结构和热力学性质。蒙特卡洛法是一种统计力学方法,也是利用势能函数计算初始构象的能量,采用Metropolis准则,经过大量的状态迁移,得到体系的热力学性质、最低能量结构和构象的采样序列。由此可见,原子间势函数在以上三种模拟方法中都起着重要的作用。体系的势能由原子与原子间的相互作用决定,多用关于原子核位置坐标的函数来近似计算,该函一、引言近些年来,人们对团簇独特的化学物理性质产生了浓厚的兴趣1,许多实验方法已广泛应用于团簇的合成以及结构和性能
6、的测定。对于实验中难以分离的团簇或难以合成的大团簇,理论方法提供了可靠的结构和性能的预测和分析,成为实验方法的重要互补性手段。随着计算机技术的飞速发展,用各种理论模拟研究团簇成了当前的一个热点2。通常指的团簇包括原子团簇和分子团簇,是由两个或两个以上的原子、分子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体,原子或分子的数目可以从2到几万的范围内,而团簇的物理和化学性质随所含原子数目而变化。常见的原子团簇包括金属和非金属团簇,比如CN、SiN、CuN和AgN等,分子团簇有(C60)N和(H2O)N等。收稿:200
7、4年7月,收修改稿:2004年12月3国家杰出青年科学基金(No.20325517)和高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目33通讯联系人e2mail:xshao@ustc.edu.cn第4期蔡文生等团簇研究中的原子间势函数·589·数即称为势函数(potentialfunction),或原子间势函数(interatomicpotentialfunction)。从团簇的分子力学、分子动力学以及蒙特卡洛模拟的结果可以看到,选取不同的势函数,对于团簇能量最低结构模拟过程的准确度和最终计算结果的精确度都会产
8、生不同的影响,而且不同的势函数所适用的体系也不一样。本文对多种目前已在团簇研究中广泛应用的原子间势函数进行了分类和综述,并对其与最优化方法和分子动力学相结合,在团簇研究中的应用和今后的发展方向进行了讨论。二、原子间势函数从作用原理看,势函数可以分成三类:经验势、基于第一性原理的自洽势和紧束缚势3。表1列举了在团簇研究中常用的势函数,以及相应的适用体系。表1主要势函数的分类和应用Table1Classificati
