计算材料学实验（燕友果）实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数

《计算材料学实验（燕友果）实验二：分子动力学模拟-水分子扩散系数》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、实验二：分子动力学模拟•水分子扩散系数■■A.Z.A—一、前吕分子动力学模拟的基本思想是将物质看成是原子和分子组成的粒子系统(many-bodysystems),设置初始位能模型，通过分析粒子的受力状况，计算粒子的牛顿运动方程，得到粒子的空间运动轨迹，可以求得复杂体系的热力学参数以及结构和动力学性质。分子动力学模拟的理论是统计力学中的各态历经假说(ErgodicHypothesis),即保守力学系统从任意初态开始运动，只要时间足够长，它将经过相空间能量曲面上的一切微观运动状态，系统力学量的系综平

2、均等效力学量的时间平均，因此可以通过计算系综的经典运动方程来得到力学量的性质。比如，由N个粒子组成的系综的势能计算函数为：U—^VDW+"iniCM)表示粒了内和粒了之间的VanderWaals相互作用；匕廿表示粒了的内部势能(键角弯曲能，键伸缩能、键扭转能等)；根据经典力学方程，系统中第,个粒子的受力大小为：西dz.)d-2)那么第，个粒子的加速度可以通过牛顿第二定律得到:(1-3)由于体系有初始位能，每个粒子有初始位置和速度，那么加速度对时间进行积分，速度对时间积分就可以获得各个任意时刻粒子

3、的速度和位置:d2_d-一(1-4)(1-5)(1-6)*和°分别是系统屮粒子/时刻的位置和速度，罗和昭分别是系统屮粒子初始时刻的位置和速度。依据各态历经假说，可获得任意物理量Q的系综平均，因此得到体系的相关性质：Q=e(r)=limy£e[r(r)>(1-7)分子动力学模拟能够计算体系的能量，粒子间的相互作用，角动量，角度以及二面角分布，剪切粘度，结构参数，压力参数，热力学参数，弹性性质，动力学性质等。均方位移则是表征粒子动力特性的重要参量，它是粒子位移平方的平均值(meansquaredis

4、placement,MSD)表达式女口下：式屮，括号表示平均值，$(/)表示时间t时粒子i的位置。根据爱因斯坦的扩散定律：式中，D为粒子的扩散系数(diffusionconstant)o因此，当时间很长时，均方位移曲线的斜率即为6D。因此可根据MSD曲线斜率求得粒子的扩散系数。二.实验目的(1)了解分子动力学方法的原理。(2)掌握MS软件的基本操作和分子动力学模拟的基本步骤。(3)掌握粒子扩散系数的计算方法。三、课堂作业1、模拟H2O在水溶液中的扩散系数以及在缓蚀剂膜A、B中的扩散R系数，判断三

5、种缓蚀剂的缓蚀效率。R:-(CH2)6CH.-(CH2)12CH3-(CH»«CH3nh2模拟步骤：（1）构建水分子结构，优化结构，定义chargegroup（2）构建缓蚀剂分子结构，优化结构，定义chargegroup（3）构建含有30个缓蚀剂和1个水分子的缓蚀剂盒子（三个缓蚀剂随着碳链增长其密度分别为：0.858、0.855、0.894）,对盒子进行结构优化，获得稳定的构型（4）进行分子动力学模拟，分析MSD曲线，计算得到水分子的四、结果分析1、首先利用MS的模型构建工具画好分子构型，然后对

6、分子定义电荷群，之后以chargegroup优化分子，优化后的分子如图1所示：图1优化后的分子（a）画水分子，同样定义电荷群，并优化。利用AmorphousCell模块建立分子a的无定型组织盒子，添加30个优化后的缓蚀剂a分子和一个水分子，水分子通过手动复制添加进去，并且要放在盒子中心位置。优化后的构型如图2所示：Lr图2优化后的无定型组织盒子优化用时4min31s,11180步达到收敛。对优化收敛后的无定型组织进行分子动力学运算，设置运算时间100ps,时间步长1fs,轨迹文件输出100帧，系

7、宗选泽NVT,常温298Ko动力学过程屮，能量随时间变化的曲线：Energyvs.SimulationTimeLegend■PotentialEnergy—NonbondEnergy图3动力学过程中能量变化可以看到，在动力学过程屮，能暈在初始阶段变化幅度较大，随后很快趋于一种动态平衡状态。动力学过程中，温度随吋问变化的曲线：Temperaturevs.SnuiabonTime图4动力学过程中温度变化可以看出，温度只在刚开始阶段波动较大，随后便处于一种波动平衡状态。动力学跑完后，利用MS5.0Di

8、scover+的Analysis进行水分子扩散系数的分析，结果如图5所示：LeoendMSDvs.Tifne_r_ps—■—MSD_Xvs.Tmejn_ps—•—MSD.Yvs.j>s—■—MSD^Zvs.TimeJnj)s图5缓蚀剂分子a的均方根位移曲线MSD将MSD曲线屮的x,y,z三个方向的数据删除（H2O沿三个方向的扩散），只选择总的均方根位移数据（H20总的扩散系数），进行线性拟合的下图。图6水分子在缓蚀剂a屮的均方根位移拟合曲线由图6可得水分子在a缓蚀剂中的扩散系数为D1=0.001