分子动力学模拟软件有哪些（分子动力学模拟软件lammps）
为了微观模拟体系能够反映宏观实验现象, 需要通过周期性边界条件对模拟对象体系进行周期性复制, 以避免在实际中并不存在的边缘效应势函数在某种程度上融合了电子键合的多体性质，将系统的总势能表示为：
式中：Fi是原子i的嵌入能函数；ρi是除第i个原子以外所有原子在i处产生的电子云密度之和；Φij是第i个原子与第j个原子之间的对势作用函数；rij是第i个原子与第j个原子之间的距离[1]。
势函数的可靠性主要取决于力场参数的准确性，而力场参数可以通过拟合实验观测数据和量子力学从头算数据得到。目前在生物大分子体系模拟中使用最为广泛的分子力场是CHARMM力场和AMBER力场，是早期研究生物大分子的分子力场。现有的力场参数仍在不断优化之中，并且涵盖的分子类型也在不断扩大。粗粒化势函数来描述原子之间的相互作用力，使用大规模原子/分子并行模拟器LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）对二氧化硅气凝胶的弹性和强度进行了分子动力学方面的研究，他们使用velocity-Verlet算法和1.0 fs时间步长，并且在三个方向上均使用周期性边界条件[3]。
图2为模拟的超过7000000个原子的大体积样品3D示意图，以及20nm厚的样品切片和局部放大图（蓝色为氧原子，红色为硅原子），图3（a）是对803nm3气凝胶样品进行单轴拉伸试验，以获得300K的应力应变曲线，（b-d）是典型韧性断裂图像，（e）抗拉强度与样品体积的对数关系。他们分析认为，为了确保正确评估弹性等机械性能，模拟样品的尺寸至少为孔径的8倍，同时，表面积极高的二氧化硅气凝胶需要相对低的应变率以确保准静态条件。
图2 模拟的二氧化硅气凝胶样品（超过七百万个原子）
图3 单轴拉伸试验的应力应变曲线（a）、强度与体积的关系（e）和断裂图像（b-d）
一般地，临界晶粒尺寸dc约为20-30nm，对于晶粒尺寸（50-100nm）较大的变形主要由位错决定；晶粒尺寸小于30nm时主要由GB变形过程主导，降低晶粒尺寸则会导致强度和流动应力减小，即出现“反Hall-Petch效应”。然而，在fcc和bcc金属中用于模拟GBs的多体和对电位之间的广泛比较揭示了这些不同力描述预测的行为中几乎没有质量差异，这表明多体效应可能不会主导GB行为。
B_ejaud, J. Durinck等人利用分子动力学模拟研究了变形孪晶与纳米结构Cu / Ag界面的相互作用，分析了界面结构对孪晶形核、扩展和增厚的影响，并阐述了失配界面位错网格的作用[4]。图4 显示了肖克利部分位错网格（由黑线突出显示），三角形图案（白色区段）以及界面处的堆垛层错分布。其中，原子根据中心对称参数着色，蓝色的原子处于完美的FCC环境中，而红色的原子处于层错或孪晶断层中。
图4 （a）沿界面的Cu和Ag原子的顶视图：（a.i）COC界面、（a.ii）TO界面，（b）沿X = <011>方向的侧视图显示：（b.i）在COC界面和情况下，相干区域与固有堆垛层错（ISF）区域交替、（b.ii）TO界面，在Cu层和Ag层中连续存在双缺陷区域
图5为应力应变曲线和孪晶的原子比例与应变的函数关系。通过分析，他们发现界面可以直接或间接地通过Lomer位错诱导孪晶位错的成核，以及异相界面结构如何影响机械孪晶过程的不同步骤，从而影响纳米结构Cu / Ag中形成的孪晶的大小。通过这种原子尺度方法，为纳米级复合材料中的机械孪晶过程提供了一些有用的理论依据。
图5 （a）应力 - 应变曲线，（b）孪晶的原子比例与应变的函数关系
设计多层材料来调整机械性能是一个热门话题，同时控制变形机制，因为孪晶允许结合纳米层和纳米孪晶材料的机械性质。在这方面，这项研究提供了理解双界面相互作用机制的关键，并支持了异相界面促进孪晶的观点。
对于包含低对称性hcp 结构金属的超细尺度层状复合材料，由于大量的异质界面能够有效地吸收核辐照引起的空位、间隙原子等缺陷，且hcp金属自身具有密度低、比强度和比刚度高、导电导热性好等特点，近年来由Ti、Zr、Mg与其它金属复合而成的六方系多层材料开始受到人们的关注。但是与晶体结构对称性高的fcc 和bcc 金属相比，hcp金属的室温塑性变形能力差，制约了相关复合材料的使用[1]。
除了原子尺度的空间和时间分辨率，分子动力学模拟一方面可以阐述完全表征的理想化纳米晶体模型的界面结构、驱动力和原子机制等行为；另一方面可以在非常高的晶界和位错密度下观测大塑性变形行为。例如，位错形核机制、晶界湮灭、纳米晶Al中的机械孪晶、减小晶粒尺寸时从位错到基于晶界的变形机制、剪切带的观测及其与凹陷断裂面的关系。
此外，在实际应用和研究过程中，对于不同的问题描述和选用的理论模型，动力学已发展了很多的理论分支，比如，宾夕法尼亚大学的Jian Han, Spencer L. Thomas等人依赖于晶界动力学的断开描述总结了多晶材料的晶界动力学概念[5]，Zheng Ma等人对FeCO3进行了析出动力学研究[6]，还有表面/界面动力学[7]等。
【参考文献】
1.Wolf, V. Yamakov, S.R. Phillpot, A. Mukherjee, H. Gleiter，Deformation of nanocrystalline materials by molecular-dynamicssimulation: relationship to experiments? [J]，Acta Materialia 53 (2005) 1–40
2.Cai, Wensheng, Christophe Chipot，Frontiers in High-Performance, Large-Scale Molecular Dynamics.35 Years of Molecular-Dynamics Simulations of Biological Systems [J]，Acta Chimica Sinica，DOI: 10.6023/A12110930
3.William Gonçalves, Julien Morthomas, Patrice Chantrenne, Michel Perez,Genevi_eve Foray , Christophe L. Martin，Elasticity and strength of silica aerogels: A molecular dynamics study on large volumes [J]，Acta Materialia 145 (2018) 165-174
4.B_ejaud, J. Durinck, S. Brochard，Twin-interface interactions in nanostructured Cu/Ag: Moleculardynamics study [J]，Acta Materialia 144 (2018) 314-324
5.Jian Han, Spencer L. Thomas, David J. Srolovitz，Grain-boundary kinetics: A unified approach[J]，Progress in Materials Science 98 (2018) 386–476
6.Zheng Ma, Yang Yang, Bruce Brown, Srdjan Nesic, Marc Singer，Investigation of precipitation kinetics of FeCO3by EQCM [J]，Corrosion Science 141 (2018) 195–202
7.Ndzondelelo Bingwa, Semakaleng Bewana, Marco Haumann, Reinout Meijboom，Revisiting kinetics of morin oxidation: Surface kinetics analysis[J]，Applied Surface Science 426 (2017) 497–503
本文由材料人科技顾问张博士供稿。
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