分子动力学综述

《分子动力学综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子动力学综述（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、分子动力学综述分子动力学模拟方法综述（电子科技大学，微电子与固体电子学院，刘家豪） 摘要：任何物质从微观的角度去看，都是由原子分子或者离子构 成。这些原子，分子或离子之间的相互作用，它们之间的关系直接决 定了由此原子组成的宏观物质的各种参数，包括热传导性，温度，压 力，粘性等等。随着现代计算机技术的发展，利用统计物理学的知识， 分子动力学（Molecular Dynamics ）模拟方法已经成为现代科研过程 中除理论研究，实验研究之外的第三种有效科研手段，自1957年发展 至今，分子动力学（MD）已经广泛应用于物理，化学，生物，材料等 各个学科之中。什么是分子动力学，分子动力学就是利用计算机技

2、术， 对由原子核，电子所构成的多体系的整个运动过程进行模拟，从而实 时将分子的行为显示在计算机屏幕上，进而从理论上得出宏观物体的 各种性质。本文将从理论角度出发简要论述分子动力学模拟方法。关键字：分子动力学，势能函数，势能模型 一分子动力学基本原则：1. 各个原子，分子遵循经典牛顿力学定律：在经典分子动力学模 拟方法中，忽略了电子的作用，因此忽略了量子效应，同时各个原子满足牛 顿运动学方程满足叠加定理，所以可以使用经典物理学的手段去处理原 子的运动问题。2. 适用范围：经典的分子动力学模拟只考虑了多体系统中的原子 核，忽略了量子效应，这种忽略对于很多经典的材料是十分适用的，当我 们要考虑原子核

3、的转动，平动或者频率的时候，才考虑量子效应。3. 前提，假设：已知微观粒子的相互作用。分子为球形，之间的相互作用只由其之间的距离决定。s二分子动力学模拟主要步骤：1. 选取要研究的系统与其边界，根据实际需求建立合理的势能模 型：1.1 系统：在分子动力学中所研究的系统主要有三种：（ 1）微正 则系宗（NET）:微正则系宗为孤立系统，系统内的原子数，能量，体 积等参数不随时间发生改变。（2）正则系宗（NVT）:在正则系宗里， 系统的原子数，体积，温度不发生改变，同时系统的总动量为零。（3） 巨正则系宗（UVT）:正则系宗用于处理系统内部粒子数发生变化的 系统，其中化学势，体积，温度保持不变，但系

4、统不断与外界发生粒 子数的交换。1.2 边界条件:由于计算机模拟能力的限制，因此所选系统中粒子 束只能为几十至几百不等，不可以模拟大量分子，只能模拟有限空间 中的有限分子，对于有限空间，就存在边界的限制。（1）固体边界条 件:不仅仅存在分子之间的相互作用，同时也存在壁面对分子的作用。 此种条件在模拟中较为不常用。 （2）周期边界条件:为了模拟尽可能 多的原子并且减少计算机的计算量，分子动力学模拟通常采用周期性 边界条件。首先在模拟体系中选择合理的原胞，其周围部分为它的镜 像。1.3 势能函数:势函数表明了原子间的相互作用，针对不同的材料， 不同的模拟目的，势函数模型的选取有很多不同的形式。分子

5、动力 学模拟的成功与否，很大一部分取决于势能模型选取的成功与否。从 最初的钢球模型，斥力力心模型， Southerland 模型，到现在的 Lennard-Jones 模型等，势能模型经历了很长时间的发展。势能函数 主要分为两大类:（一）对势模型:分子动力学早起，一般采用对势 模型，因为其能很好模拟除了金属，半导体之外的绝大多数无机化合 物。其中的势能模型需要根据合理的理论分析得出，但是具体的参数 需要更具经验来确定，称为半经验势。主要有： Lennard-Jones 势， Morse 势，Born-Mayer 势等。(二)多体对泛势能：对势模型在分子晶体，离子化合物中的模 拟取得了很大的成就

6、，但是对于过渡金属，对于含有共价键的物质的 模拟却多为困难。在 20 世界 80 年代后，陆续出现了很多解决这一问 题的新型势能模型。主要有：嵌入原子势，Finnis-Sinclair势等。2. 给定系统中粒子的初始位置和动量：分子的初始条件主要由随 机法给出除，其主要要求如下：( 1)大小： v=Vmax(2*random- 1)(2)方向：随机产生(0,1)之间的随机数。方向按照球坐标给出，a二arcos(2*(ra ndom-0.5),)5.0ra ndom (2arccos )0.5ra ndom (sig n -?-二?.?acos sin v vx =,asin sin v v y

7、 =,acos v v z = 3.建立合理的模拟算法，计算粒子 的速度和相互之间的作用力：由于分子动力学模拟力的计算量工作很 大，使用常用的数值算法不在适用。在计算的时候，一般采用每步只 计算一次力的单步算法，以达到省时，稳定和精度高的要求，常用的 算法有以下几种：Verlet算法,leap-frog算法,Velocity-Verlet算 法，Gear算法。其中蛙跳算法是Verlet算法的变种，不过其缺点是位 置和速度不是同步的，这就意味着在位置一定的时候，不能计算动能 对总动量的贡献。对于Velocity-Verlet算法，其可以给出同一时刻的 位置，速度和加速度，同时精度较高。此种算法应

8、用较为广泛。4. 当研究体系达到平衡时候，更具统计公示，获得各宏观参数和 输运性质：求出模拟系统中的原子在相空间的轨迹后，应用统计物理 的原理就可以得到所研究的系统的各种性质，参数。三分子动力学模拟进一步发展方向： 经典分子动力学至今已经在许多学科得到了广泛的应用，其中原 子之间势函数的选取与研究任然是一个值得探讨的方向，因为势函数 的选取对模拟结果的精度的影响最大。提高势函数的精度将会是将来 发展的一个重点。与此同时，经典分子动力学模拟存在一个很大的缺陷，即：经典 分子动力学不适用与含有自由电子的系统，由此对于金属等系统的模 拟结果存在很大的误差与问题，由于能带理论中的密度泛函数是研究 凝聚态的有效方法，所以1985年Car , Parrinello等人将第一性原理 与分子动力学结合起来，提出了第一性原理的分子动力学模拟方法， 有效解决了含有自由电子的多体系模拟的问题，因此经典分子动力学 与第一性分子动力学的结合必然是将来的发展热点与趋势。