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关于分子动力学模拟的实验手册


一、实验名称:分子动力学模拟 二、实验目的: 利用分子动力学理论方法对研究的体系和问题进行理论数值 模拟,为实验提供理论参考。 三、实验要求:1.学习并掌握分子动力学的基本理论内容 2.掌握嵌入原子理论的主要内容 3.对 Linux 操作系统有足够熟悉的使用经验 4.学会分子动力学软件——Lammps 的使用方法 5.掌握 Materials studio 的模型搭建方法 6.了解 VMD 的相关操作 四、实验相关环境及软件: 1.Linux 操作系统:一种自由和开放源码的类操作系统,以高效性和灵活性 著称,具有多任务、多用户的能力 2.Lammps 分子模拟软件:即 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator,主要用于分子动力学相关的一些计算和模拟工作,一般来 讲,分子动力学所涉及到的领域,LAMMPS 代码也都涉及到了。 3.Materials studio:专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在 PC 上的模拟软件,可以帮助解决化学、材料工业中的一系列重要问题。 4.VMD: 一个分子可视化程序, 采用 3D 图形以及内置脚本来对大型生物分子 系统进行显示、制成动画以及分析等操作。 五、实验原理: 分子动力学(MD)模拟就是用计算机方法表示统计力学,作为实验的一个辅 助手段,MD 模拟用来研究不能用解析方法来解决的经典多体体系的平衡性质和 传递性质,是搭接理论和实验的一个桥梁。MD 方法是一种定性方法,是按照该 体系内部的内禀动力学规律来确定位移的转变, 追踪系综中每个粒子的个体运动, 然后根据统计物理规律给出微观量与宏观量的关系来研究材料性能的一种方法。 目前,该技术已成功地应用于研究晶格畸变,晶粒生长,拉应力-应变关系,蠕 变行为,扩散,沉积等。MD 模拟与真实实验在许多方面非常相似,当做一个真 实实验时, 需要以下步骤: 准备试样; 将试样放在测试仪器中进行测量; 分析测 量的结果。而 MD 模拟应遵从同样方法: 首先准备试样,即建立一个由 N 个粒子

组成的模型体系; 将试样放入测试仪器中测量, 解 N 个粒子组成的体系模型的牛 顿运动方程,直至平衡; 平衡后,进行材料性质的计算; 最后,进行测量结果的 分析,对模拟结果进行分析。 六、实验步骤 lammps 进行计算时需要四个基本的文件,分别是初始构型文件,势函数文 件,in 文件(提交命令),执行文件。 1.初始模型的搭建: 初始模型的搭建在 Materials studio 中完成(简单的模型可以在 lammps 中直接完成) ,对于复杂的模型,在 MS 中也能容易的完成,通过 MS 中一系列的 模型构建工具,可以轻松的实现模型的搭建。模型搭建完成后,利用 Discover 模块,选择 CVFF 力场对模型进行计算,并将结构输出保存为*.Car 格式。此时 的构型文件并不能被 lammps 识别,需要通过 lammps 自带的 msi2lammps 工具将 文件转换为 lammps 识别的 data 文件,转换完成后就可以在 lammps 中对模型的 data 文件进行调用,此时 data 文件只需包含分子(原子)的初始坐标,对于 MS 中 CVFF 力场计算保留的力场参数可直接删除。 2.势函数的选取 势函数在分子模拟过程中扮演非常重要的角色,分子(原子)间的相互作用 都决定于势函数。lammps 中提供了大量的势函数供选择,此次实验选用 EAM 势 函数。lammps 中对不同的势函数有不同的参数设置,实验选用 EAM 合金势,调用 命令及参数设置为 pair_style eam/alloy ;pair_coeff * *AlCu.eam.alloy Al Cu。 3.in 文件 in 文件是整个模拟中最关键的部分,所有的基本参量,边界条件,模拟条 件,感兴趣量的提取都由 in 文件控制,lammps 通过读取 in 文件中的命令来实 现模拟.in 文件的信息一般可分为四部分 1)初始化设定:这些设定需要在未搭 建初始构型或读取 data 文件之前完成,如单位、维度、边界条件、原子类型等 2)原子设定:利用 lammps 命令创建原子构型或读取 in 文件 3)参数设定:一 旦初始模型构建起来,就需要对模拟进行具体的参数设定,包括力场参数、时间 步长、最小化设定、施加模拟环境等等 4)运行,通过执行 run 命令,执行文件

开始体系的模拟计算。 4.执行文件 lammps 执行计算的程序,执行命令./lmp_linux < in.alcu。 模拟结束后就可以对输出的数据进行分析,如均方位移、径向分布函数、时 间相关函数等等, 其中对于输出的 dump 文件即分子(原子)运动轨迹文件运用 VMD 进行分析, 在 dump 文件加载到 VMD 软件中, 就可以对运动轨迹进行细致的分子, 同时可以输出高保真的轨迹图片。 值得注意的是, 因为以上软件如 lammps 和 vmd 都是在 Linux 系统下运行的, 所以对 Linux 的操作有一定的要求。


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