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1、计算机在材料科学与工程 中的应用计算材料学(分子动力学)郝 艳Tel: 13909014675Email: 授课章节授课教师1.实验设计及实验数据处理贺小春2. Origin的应用3.计算材料学（第一性原理）易勇4.计算材料学（分子动力学）郝艳5. 实验环节李延波分子动力学1. 介绍分子动力学的基本原理及步骤 2. 分子动力学在Materials Studio（MS）中的实现重点讲解Discover、Forcite的应用实例原则上, 第一原理方法在理论上已经能解决所有问题，但 计算量太大，计算机资源有限，原子数目较多时，如高分子 、蛋白质、原子簇以及研究表面问题、功能材料或材料的力 学性能等，
2、实际上难以完成计算。为此，发展了分子力学(Molecular Mechanics, MM)与分子 动力学(Molecular Dynamics, MD)方法，MM与MD是经典力 学方法，针对的最小结构单元不再是电子而是原子。因原子 的质量比电子大很多，量子效应不明显，可近似用经典力学 方法处理。20 世纪 30 年代, Andrews 最早提出分子力学的基本思想；40 年代以后得到发展, 并用于有机小分子研究。90年代以来,随着计算机技术和计算算法的发展而得到迅猛发展和广泛应用。在材料科学, 用于材料的优化设计、结构与力学性能、热加工性能预报、界面相互作用、纳米材料结构与性能研究等；在化学领域
3、，用于表面催化与催化机理、溶剂效应、原子簇的结构与性质研究等；在生物科学和药物设计领域的应用也十分普及，如蛋白质的多级结构与性质，病毒、药物作用机理、特效药物的大通量筛选与快速开发等。 MM和MD的应用，通常称作分子模拟(molecular simulation, molecular modeling) 或 分子设计(molecular design)。MM是确定分子结构的方法，是分子的静态势函数，利用分子势能随结构的变化而变化的性质，确定分子势能极小时的平衡结构(stationary point)；而实际过程通常是在一定温度和一定压力下发生的，为了更切实际地了解体系运动和演化的过程，必须考虑
4、体系中原子的运动，并与温度T和时间t建立联系；MD含温度与时间, 还可得到如材料的玻璃化转变温度、热容、晶体结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫(relax)以及体系在外场作用下的变化过程等。分子动力学模拟应用实例晶体结构确定及性能预测饱和脂肪酸大分子晶体结构确定及性质预测（西班牙巴赛罗那大学）高温相晶体结构晶体中的分子以强烈的氢键形成 二聚体而整齐排布分子模拟方法与粉末衍射实验分析方法结合分析复杂分子的晶体结构行之有效分子动力学模拟应用实例晶体形貌研究吸附剂分子对Al2O3晶体各个面生长速率的影响（加拿大Alberta大学）吸附能的排列次序与实验观察到的 各个面的生长速率倒数成正比两个具有
5、最低吸附能的晶面在 晶体生长过程中其主导作用， 并最终决定晶体的宏观形貌分子模拟方法可实现晶体生长形貌预测及控制什么是分子动力学经典分子动力学将原子视为经典粒子，通过求解各粒子 的运动方程得到不同时刻粒子的空间位置、运动状态，从 而统计出材料的宏观行为特性。MD是用计算机方法来表示统计力学，用来研究不能用解 析方法来解决的复合体系的平衡和力学性质，是理论与实验 的桥梁。分子动力学的基本思想经典力学定律分子动力学中处理的体系的粒子遵从牛顿方程，即式中 是粒子所受的力， 为粒子的质量， 是原子i的加 速度，原子i所受的力 可以直接用势能函数对坐标 的 一阶导数，即 ，其中U为势能函数（简称势 函数
6、或力场），因此对N个粒子体系的每个粒子有求解这组方程要通过数值方法，即给出体系中每个粒 子的初始坐标和速度，从而产生一系列的位置与速度，即 为任意时刻的坐标和速度。分子动力学方法工作框图相互作用温度、压力运动方程式原子坐标位置三维结构原子的坐标，速度动力学性质原子的运动热力学性质（输入信息）（输出信息）（二次信息）势函数 或力场轨迹: 分子动力学整个过程 中的坐标和速度称为轨迹 。经典分子动力学的适用范围分子动力学方法只考虑多体系统中原子核的运动，而电 子的运动不予考虑，量子效应忽略。量子化能量简谐振动能tmaxYN时间更新 回路分子动力学运行流程图时间步长参考原子或分 子特征运动频率来 选取
7、分子动力学模拟 的核心在应用软件的实际操作中，需要设置的参数还 很多，包括温度、压力、力场、算法等等。第一性原理分子动力学 用分子动力学方法讨论材料的结构、相变及力学性质，已 经被广泛的研究，其势函数的选取有很多种，诸如Lennard- Jones势分子动力学、Morse势分子动力学方法等。针对不同的材料，构建介观条件下的对势，取决于对材料介观结构的深刻理解，这给势函数的构建带来一定的困难，从 而给经典分子动力学的模拟带来困难。随着密度泛函理论的发 展，第一性原理方法可解决这些困难。1985年，Car和Parrinello 提出第一性原理分子动力学方法，第一性原理分子动力学方法的势场直接来源于
8、电子结构的计 算，而不是经验势。重点模块涉及模块Discover ：是Materials Studio的分子力学计算引擎，适用于很大范围的分子和材料。Forcite：先进的分子力学和分子动力学模拟程序。Materials Visualizer：MS的核心模块，提供建模、分析和可视化的工具。Amorphous Cell：构建复杂无定形模型并预测关键性质，一般与Discover、Forcite连用。分子动力学在Materials Studio（MS） 中的实现本课程所使用的软件Materials Studio 7.0Discover是Materials Studio的分子力学计算引擎为Amorph
9、ous Cell、Forcite等模块提供了基础计算方法。计算最低能量构象给出不同系综下体系结构的动力学轨迹 得到各类结构参数 热力学性质力学性质动力学量振动强度 Discover Setup菜单EnergyCommpass:是第一个把有机分子体系与无机分子体系统一的分子立 场。适合于共价分子体系，包括大多数常见有机物、无机物和聚合 物、金属、金属氧化物和金属卤化物。Pcff：polymer consistent force field，基于CFF91力场发展而来，适用 于聚合物及有机物。可用于聚碳酸酯类、多糖类等聚合物、无机和 有机材料，包括约20种金属 (Li, K, Cr, Mo, W,
10、 Fe, Na, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Sn, Pb）、糖类、脂类和核酸，以及惰性气体(He, Ne, Kr,Xe )。Cvff：Consistent valence force field，一致性价力场，最初以生化分 子为主，经不断强化，可适用于计算多肽、蛋白质与大量的有机分 子。Discover SetupNon-bond 设置相互作用力： 范德华力（ vdW ） 库仑力（ Coulomb ） 范德华和库仑力（vdW Hofmann et al., 2000)。你的计算结果很可能和这个有很大差别，因为你取的聚合体太短，晶格尺度太小，运算时间太短以至于Ein
11、stein扩散没有时间发生。参考文献Charati, S. G.; Stern, S. A. “Diffusion of Gases in Silicone Polymers:Molecular Dynamics Simulations“, Macromolecules, 31, 5529-5538 (1998).Hofmann, D.; Fritz, L.; Ulbrich, J.; Schepers, C; Boehning, M.“Detailed-atomistic molecular modeling of small molecule diffusion andsolution processes in polymeric membrane materials“, Macromol. TheorySimul., 9, 293-327 (2000).Thank you ！
