分子动力学模拟及在地球物理中的初步应用

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1、中国科学技术大学硕士学位论文分子动力学模拟及在地球物理中的初步应用姓名：谢芸申请学位级别：硕士专业：固体地球物理学指导教师：倪四道20090401摘要．近年来，随着计算机的迅速发展，数值模拟在地球物理中起着越来越重要的作用。在地球物理中，计算机主要用于地震学中合成地震图的计算和地球动力学中对流模型的计算，而在地球组成成分的物理性质研究中应用还比较少。随着分子动力学模拟的出现并逐渐成熟，这一技术正在被逐步的应用到地球物理中。分子动力学模拟从原子、分子尺度上去研究宏观材料性质，有助于我们研究在地球内

2、部环境中物质的状态和性质。本文首先阐述经典分子动力学模拟的原理、实现方法。分子动力学根源于古代的原子论，其理论根基是牛顿的运动定律，基本原理是对于由原子核和电子组成的多体系统，模拟原子核运动过程，从而计算系统的结构和性质，其首次模拟研究是1957年Alder和Wainwright的硬球模型。在分子动力学阐述之后，本文介绍近年来分子动力学模拟在研究地球内核方面(主要组成物质Fe在地球内核环境下呈现低硬度及各向异性)所取得进展及在金属材料固液相线的研究现状(Fe、Ni的高压熔化线)。这部分的最后一小

3、节展示了我们利用分子动力学模拟对纳米金属Cu球及非晶态Si0。球的碰撞凝聚行为研究。本文的最后一部分介绍我们的另一个研究结果，用分子动力学研究单晶Cu冲击加载后的卸载熔化，从一个新的角度，原子角度去展示卸载熔化过程。研究中，选取的单晶Cu模型包含原子数数量级为105，利用飞片撞击目标块的方法产生冲击波，冲击方向沿单晶Cu<100>向。冲击波从对撞面产生随后向飞片和目标块体内传播，在达到飞片自由表面后以稀疏波反弹回来，此时卸载的冲击波导致材料进入部分或完全卸载态。我们研究了2---3km／s之间几

4、个不同的活塞速度Ⅳ。的冲击熔化，发现在"。≥2．5km／s(压强大于170GPa)的情况下，卸载熔化会持续发生且能够达到完全卸载态(液态)。冲击加载的单晶Cu在卸载熔化前会出现明显的过热现象，而卸载路径可以被视为等熵路径曲线。关键词：分子动力学模拟，地球内核，冲击凝聚，冲击卸载熔化，单晶Cu，非晶态Si0。ABSTRACTNumericalsimulationhasplayedmoreandmoreimportantrolesinGeophysicsasthedevelopmentofcompu

5、terforthepastfewyears．Usually,computationalmethodsa托usedtOcalculatesyntheticseismograminseismologyandconvectionmodelinGeodynamics，whiletheyarelessusedininvestigatingmineralphysics．Inrecentyears，moleculardynamics似D)simulationhasbeenusedinGeophysicsste

6、pbystep．MDisusedinresearchingmacro-materialsfromtheperspectiveoftheatomicandmolecularscale，whichhelpsustoinvestigatethematerialsintheinterioroftheEarth．Thisthesis，firstly,discussesprincipleandrealizationmethodsofclassicalmoleculardynamicssimulation．M

7、DisrootedinancientatomictheoryanditstheoryfoundationisNewton'slawofmotion．Itsbasicprincipleisthroughsimulatingthemotionprocessofnucleusinmanybodysystem，thentostatisticthestructureandpropertiesofthesystem．ThefirstMDsimulationisbyAlderandWainwrihtin195

8、7．Afterthepart,thethesisreviewsrecentresearchontheMDsimulationoftheEarth’Scoreinprogressandofmetalmaterialsresearchstatusofsolid·liquidphaseline．Andthelastsectionofthepartshows0Llrstudonimpactbehavior,e．g．agglomeration,ofnanosinglecrystalCuballandamo