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1、第卷第期力学进展丫年月日万,分子动力学模拟的主要技术’‘,’‘文玉华朱如曾匾直周王崇愚清华,。以〕大学物理系北京中,国科学院力学研究所北京摘要综述了分子动力学模拟技术的发展,介绍了分子动力学的基本原理、有关的有限差分技术、势函数的发展、初始条件和边界条件的选取、平衡态系综及其调控、感兴趣量的提取、分子动力学的特别用途以及与其他计算方法的结合最后还指出了分子动力学模拟方法本身进一步研究的方向关健词分子劝力学,有限差分法,原子间作用势,平衡态系综,结构分析技术有吸引力【、田现在每年发表的关于分子动力学模引言拟有关的文献达千篇,,所谓分子动力学模拟是指对于原子核和电子分子动力学模拟虽然
2、不如第一原理模拟精确,,,所构成的多体系统用计算机模拟原子核的运动过但以程序简单计算量小可计算的原子体系大大超,,,程并从而计算系统的结构和性质其中每一原子核过第一原理等方法而保持有巨大的发展和应用前、被视为在全部其它原子核和电子所提供的经验势场景本文将对分子动力学模拟的基本原理和作用下按牛顿定律运动模拟过程进行综述性评论年,和从依首先在硬球,平衡与非平衡系统分子动力学的过程模型下采用分子动力学研究气体和液体的状态方,从而程开创了利用分子动力学模拟方法研究物质,对于非平衡系统其分子动力学模拟的过程包,宏观性质的先例后来人们对这一方法作了许多改、括初始条件和边界条件的确定牛顿方程的
3、有限差进,并运用它对固体及其缺陷以及液体作了大量的研分求解和作为时间函数的感兴趣量的提取对于平,究但由于受计算机速度及内存的限制早期模拟的,衡系统其分子动力学模拟的过程与非平衡系统的空间尺度和时间尺度都受到很大限制世纪年差别在于感兴趣量及边界条件与时间无关代,,后期由于计算机技术的飞速发展加上多体势函,为数的提出与发展分子动力学模拟技术注入了新的牛顿运动方程活力分子动力学模拟不仅能得到原子,的运动细节,还能像做实验一样进行各种观察对于平衡系统可在分子动力学中,系统中原子的一系列的位形是以用分子动力学模拟作适当的时间平均来计算一个通过对牛顿运动方程积分得到的通过解牛顿第二定物,理量
4、的统计平均值对于非平衡系统发生在一个律的微分方程分子动力学观察时间内一般为、的物理,‘‘‘现象也可以用分子动力学计算进行直接模拟特别是筱二二尸‘,而在分许多在实际实验中无法获得的微观细节子动—‘,,‘,‘‘力学模拟中都可以方便地观察到这种优点使分子动可以获得原子的运动细节这里。及了分、、、、力学在物理化学材料科学等领域研究中显得非常别为第艺原子的质量位置矢量所受的可以根据势一,一收稿日期各修回日期。孚巾,,国家重点基础研究发展规划项目国家自然科学基金中国博士后科学基金和中国科学院知识创新工程重要方向资助项目,函数的梯度求出的力‘二一、和其他的力为动能是直接由速度计算得到的所以它更
5、好地保持,原则上是所有原子位置,‘了能量守恒然而由于它的表示式比算法复的函数而了则原则上可,,杂得多所以计算量较大以是所有原子的位置和速度的己知函数而本文只以‘了与原子的速度无关的情况进行综述·算法一提出了基于预测校正积分方法的算有限差分法,,法这种方法可分为三步首先根据展开式,,,预测新的位置速度与加速度然后根据新的位置为了得到原子的运动可以采用各种有限差分法。十占来求解运动方程,常用的有以下几种算法计算得到的力计算加速度这加速度再与“由肠级数展开式预测的加速度况进行·算法比较两者之差在校正步里用来校正位置与速度项提出的算法在分子动力学中运用的预测一校正算法需要的存储量为,最为
6、广泛它运用原子在时刻的位置袱约和加速是应用的最高阶微分数,是原子数目本例的一孔时刻的位置,计算十乱度约及出时刻的存储量为,而算法的存储量为更重要,,位置的是算法每步要计算两次作用力但它允许,占二一二一占占的每个时间步长可以比其他算法要长倍以上·,,乞,这里为简单计省略了下标显然速度并没有算法出现在算法中计算速度有很多种方法一个在分子动力学模拟中首次采用的算法一简单的方法是用乱时刻与一孔时刻的位置差也是一种预测校正算法的变通形式尽管这种算法能给出运动方程,除以况的较为精确的解但由于计算量、飞,,,,算法执行简明存储要求适度但它的一较大现在已经很少用了故不详细介绍个二孔要通过小项与非
7、常大的两项,缺点是位置对于平衡态的分子动力学模拟时间步长大多采二,一,与占的差的相加得到见式这容一一‘用,易造成精度损失算法中没有显式速度项在下,,一步的位置没得到之前难以得到速度项另外势函数它不是一个自启动算法新位置必须由亡时刻与前一亡一孔亡,分子或原子间相互作用势的准确性对计算结时刻的位置得到在时刻只有一组位,,,置所以必须通过其他方法得到一孔的位置获得果的精度影响极大但总的来说原子之间的相互作,一沉时刻的位置方法之一是应用近似式用势的研究一直发展得很缓慢从一定程度上制约了分
