LAMMPS教程.pdf

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1、LAMMPS教程王延颋中国科学院理论物理研究所中科院超算中心培训北京2012年9月17-18日121.分子动力学模拟基本概念31.1.计算科学─理论与实验科学的桥梁求解模型参数理论科学计算科学实验科学模型框架指导计算物理的作用求解解析理论无法求解的问题模拟多体问题，得到更贴近实际体系的结果模拟实验做起来困难或不可能做的条件计算用到大量近似和模拟理想化实验条件，所以还是更贴近理论41.2.分子模拟─研究原子分子层面的物性计算物理包括数值求解和计算机模拟两大类对物质的模拟大致分为宏观、介观、微观三个层次分子模拟分子模拟方法分为Mont

2、eCarlo(MC)和MolecularDynamics(MD)两大类对Boltzmann分布的重要性采样：统计物理是理论基础.51.3.第一性计算─电子结构方法解多体薛定谔方程：HΨ({r})=EΨ({r})方程中包含所有原子核和电子的哈密顿量和波函数原子间相互作用由主要由电子决定计算系统最低能量构型，原子光谱等计算化学反应势垒，速率等Gaussian软件包61.4.第一性计算─密度泛函理论解多体薛定谔方程：HΨ(ρ({r}))=EΨ(ρ({r}))用电子密度代替电子坐标，从而大大减少计算自由度适于进行较大体系的计算VASP软件

3、包仍然难以做有限温度的模拟71.5.蒙特卡罗（MC）模拟只计算势能，不用计算力基于Boltzmann分布，只能模拟平衡态体系http://cmm.cit.nih.gov/intro_simulation/node25.html模拟步长可以很大81.6.全原子分子动力学模拟数值方法求解多体牛顿方程.FittFrijijjFitaitmivit1vitaitt热耦调节速度以实现恒温模rit11ritvitt拟通过拟合实验数据或第一性计算获得的数据确定经验力场Fij

4、经验力场的精度直接影响模拟结果的质量并行计算环境下可模拟几百万个原子，时间尺度约几十纳秒9分子动力学模拟软件AMBERCHARMM101.7.分子建模目的：把整个原子作为一个质点进行模拟（全原子模拟，AtomisticSimulation或All-atomSimulation，也叫做ForceFieldMethod或MolecularMechanics)，以减少计算自由度，加大可计算的体系的空间和时间尺度，简化数据处理和分析。方法：一般的做法是根据原子间相互作用的物理特性，预先设定一个有待定参数的二体或多体的相互作用的经验势的函数

5、形式，然后根据第一性计算的数据或实验结果拟合经验势的参数。误差：因为描述体系的自由度被大大减少，全原子模型不可能重建系统的所有性质。拟合参数时，往往选择一组最关心的物理性质进行拟合，以求误差尽量小，而放松对其它性质的要求。所以要根据待研究的物理问题适当选取全原子模型。111.7.1.约化单位（reducedunit）数值模拟时使用的内部单位，需要乘上常数才能对应于实际体系的真实物理单位（国际单位制，SI-units）。约化单位的换算1）给定四个基本物理量的单位:长度L，质量M，时间t，电荷电量Q2）计算其它物理量：22能量EMLt*/温度

6、TEk/B3压力PEL/其中k是Boltzmann常数，B3质量密度ML/NA是Avogadro常数。3数量密度nL1/2NQA介电常数LE121.7.2.Lennard-Jones势最常用的描述原子间范德华力的经验势。最广泛使用的是12-6LJ：126126Vr()4126Fr()rVr242126ˆrrrrr惰性气体的原子间相互作用仅用LJ就基本可以完全描述。截断距离（cutoffdistance）：对于短程作用，大于cutoff的贡献是常数。2Vr4r

7、drrc三维空间中，以上积分收敛的为短程作用，发散的为长程作用。氩原子之间的相互作用，wikipedia131.7.3.金属体系的力场因为金属中的价电子可以自由运动，所以一般要用多体作用描述金属体系的力场。EAM(EmbeddedAtomModel)可以用于单一金属或者合金体系。被广泛应用于多种金属及其合金。1ViFrijrijij2ij其中r是两个原子间的距离，是类型为和的原子之间的二体势，是类型ij为的原子j产生的电子电量密度在i处的值，F是一个嵌入函数，代表把类型为的原子i

8、嵌入电子云中需要的能量。GlueModel只适用于单一金属。较好地平衡了表面和内部的结构和能量。VirijUrij14j