分子动力学模拟及其在材料科学中的研究进展.doc

分子动力学模拟及其在金属材料中的研究进展摘要本文综述了分子动力学模拟技术的发展,介绍了分子动力学的分类、运动方程的求解、初始条件和边界条件的选取、平衡系综及其控制、感兴趣量的提取以及分子动力学模拟在金属材料中的研究进展。关键词:分子动力学模拟平衡态系综金属材料感兴趣量径向分布函数引言科学工作者在长期的科学研究实践中发现,当实验研究方法不能满足研究工作的需求时, 用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息; 尽管计算机模拟不能完全取代实验, 但可以用来指导实验, 并验证某些理论假设, 从而促进理论和实验的发展。特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节, 在实验中基本上是无法获得的, 而在计算机模拟中即可以方便地得到。这种优点使分子动力学模拟在金属材料研究中显得非常有吸引力。分子动力学 MD (Molecular Dynamics) 模拟就是用计算机方法来表示统计力学,作为实验的一个辅助手段。 MD 模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统,求解运动方程( 如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程) ,其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用下运动, 通过分析系统中各粒子的受力情况, 用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度, 以确定粒子的运动状态, 进而计算系统的结构和性质。该模拟技术主要涉及粒子运动的动力学问题, 与蒙特卡罗模拟方法( 简称 MC) 相比, 分子动力学是一种“确定性方法”, 它所计算的是时间平均,而 MC 进行的是系综平均。然而按照统计力学各态历经假设, 时间平均等价于系综平均。因此, 两种方法严格的比较计算能给出几乎相同的结果。经典的分子动力学方法是 Alder 等于 1957 年提出并首先在“硬球”液体模型下应用,发现了由 Kirkwood 在 1939 年根据统计力学预言的“刚性球组成的集合系统会发生有液相到结晶相的转变”。后来人们称这种相变为 Alder 相变。 Rahman 于 1963 年采用连续势模型研究了液体的分子动力学模拟。 1972 年 Less 等发展了该方法并扩展了存在速度梯度的非平衡系统。 1980 年 Andersen 等创造了恒压分子动力学方法。 1983 年 Gillan 等将该方法推广到具有温度梯度的非平衡系统, 从而形成了非平衡系统分子动力学方法体系。 1984 年 Nose 等完成了恒温分子动力学方法的创建。 1985 年针对势函数模型化比较困难的半导体和金属等, Car 等提出了将电子论与分子动力学方法有机统一起来的第一性原理分子动力学方法。 1991 年 Cagin 等[1] 进一步提出了应用于处理吸附问题的巨正则系综分子动力学方法。 20 世纪 80 年代后期, 计算机技术飞速发展, 加上多体势函数的提出与发展, 使分子动力学模拟技术有了进一步的发展。 1 分子动力学分类分子动力学的目标是研究体系中与时间和温度等有关的性质而不只是静力学模拟中研究的构型方面。分子动力学假定原子的运动是由牛顿运动方程决定的, 这意味着原子的运动是与特定的轨道联系在一起的。分子动力学模拟的关键问题是原子间作用势的确定, 主要是求解下述牛顿运动方程组。其中 M a 为原子质量,R a 为原子空间位置,t 表示时间,F α为原子间作用力。确定原子