分子动力学在材料科学中的应用

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1、专业资料分子动力学在材料科学中的应用摘要：本文综述了几种常见条件下的分子动力学模拟方法以及分子动力学模拟的最新发展趋势.介绍用分子动力学模拟方法研究固休的休相结构,表面问题,界面问题以及薄膜形成过程等方面的研究成果。关键词：分子动力学;计算机模拟;材料科学1引言分子动力学（MolecularDyanmica,简称MD）用于计算以固体、液体、气体为模型的单个分子运动，它是探索各种现象本质和某些新规律的一种强有力的计算机模拟方法，具有沟通宏观特性与微观结构的作用，对于许多在理论分析和实验观察上难以理解的现象可以做出一定的解释［1］。MD方法不要求模型过分简化，

2、可以基于分子（原子、离子）的排列和运动的模拟结果直接计算求和以实现宏观现象中的数值估算。可以直接模拟许多宏观现象，取得和实验相符合或可以比较的结果，还可以提供微观结构、运动以及它们和体系宏观性质之间关系的极其明确的图象［2］。MD以其不带近似、跟踪粒子轨迹、模拟结果准确［3］，而倍受研究者的关注，在物理、化学、材料、摩擦学等学科及纳米机械加工中得到广泛而成功的应用。本文主要评述MD方法在材料科学中的应用.目前在材料微观结构的研究中，由于实验条件的限制，使得许多重要的微观结构的信息难以得到，如，对于由液态金属快速凝固的非晶转变过程，其微观结构的瞬时变化根本无

3、法用实验仪器去测量。理论分析、实验测定及模拟计算已成为现代材料科学研究的3种主要方法[2]。20世纪90年代以来，由于计算机科学和技术的飞速发展，模拟计算的地位日渐突显。计算机模拟可以提供实验上尚无法获得或很难获得的信息。虽然计算机模拟不能完全取代实验，但可以用来指导实验的进行，从而促进理论和实践的发展，所以有必要对这一领域进行介绍。2分子动力学基本原理分子动力学将连续介质看成由N个原子或分子组成的粒子系统，各粒子之间的作用力可以通过量子力学势能函数求导得出，忽略量子效应后，运用经典牛顿力学建立系统粒子运动数学模型，通过数值求解得到粒子在相空间的运动轨迹，

4、然后由统计物理学原理得出该系统相应的宏观动态、静态特性。word完美格式专业资料图1所示是MD模拟过程。MD具体的做法是计算机上求运动方程的数值解。通过适当的格式对方程进行近似，使之适于在计算机求数值解。从使用连续变数和微分算符的描述过渡到使用离散变数和有限差分算符的描述，显然会有误差，误差的阶数取决于具体的近似机制，即所用的算法。模拟首先是规定初始条件。为了确定起见，可令初始位置在格子的格点上，而初始速度则从波尔兹曼分布得出。一个按上述办法建立的系统不会具有所要的能量，而且，很可能这个状态并不对应于一个平衡态。为了推动系统到达平衡，需要一个趋衡阶段。可以

5、通过增加或从系统中移走能量，对运动方程向前积分若干时间步，使系统弛豫到平衡态。接着是物理量的计算阶段，沿着系统在相空间中的轨道计算一切令人感兴趣的量。模拟中，MD采用周期边界条件和最小镜像原理，可以大幅度减少计算工作量［1］。周期边界条件是将一定数量的粒子N集中在一定的容积V中，这个容积V称为原胞，原胞周围的部分可以看作是原胞的复制，它们称作镜像细胞。这些镜像细胞的尺寸和形状与原胞完全相同，并且每个镜像细胞所包含的N个粒子是原胞中粒子的镜像，原胞在各个方向周期复制便形成了宏观物质样本。这样只需根据原胞周围的边界条件计算原胞内粒子的运动，幅度减少了工作量。原

6、子间作用势能模型的构造对于;MD法的应用至关重要。最简单的偶势模型只考虑两体作用，而与其它原子无关，在模拟中运算量小。20世纪80年代以来，各种经验或半经验的多体势模型迅速发展，特别是镶嵌原子法（EAM)［4］既克服了偶势的缺陷，又不会使计算量太大。word完美格式专业资料3分子模拟主要技术细节3．1分子间作用势分子动力学模拟的首要条件就是要知道分子间的相互作用势，分子间作用势函数确定后，通过势函数对“求导即可得出分子间的作用力。所以必须对分：子间的作用势进行研究，目前存在多种势能模型。分子间势函数的发展经历了对势一多体势的过程。对势认为原子之间的相互作用

7、是两两之间的作用，与其他原子的位置无关；而实际上，在多原子体系中，一个原子的位置不同，将影响空间一定范围内的电子云分布，从而影响其他原子之间的有效相互作用，故多原子体系的势函数需更准确地用多体势表示。在分子动力学模拟的初期，人们经常采用的是对势。常用的对势模型包括Lennard—Jones势、Morse势、Born—Lande势及Johnson势。在对势模型中，系统能量表示为原子对相互作用能量的加和。对于简单的、高对称性的晶体，对势能够描述原子间的相互作用。对势模型的主要缺点是忽略了多体原子间的相互作用，更具体地说，它是忽略了由于原子局域环境的变化引起的原

8、子间相互作用的变化，因此需要建立新的模型。基于EAM势的势函数还有