關鍵詞：AIMD；xtb；富勒烯；分子動力學

背景介紹

富勒烯是一類具有高度對稱性的碳分子，其獨特的結構使其在材料科學、化學反應、納米技術等領域具有廣泛的應用前景。富勒烯的形成過程涉及復雜的反應機制和分子間相互作用，因此，研究其形成機理對于理解富勒烯合成的熱力學和動力學特性至關重要。傳統的實驗方法難以從原子尺度揭示富勒烯的形成過程，而基于從頭算（AIMD，Ab Initio Molecular Dynamics）模擬的研究可以在微觀層面直觀展示這一過程，從而為富勒烯的合成提供理論指導。

本案例基于xtb軟件，采用AIMD方法模擬富勒烯的形成過程。

初始模型構建

首先利用VMD的extensions-modeling-nanotube Builder模塊構建（5，5）手性，管長7埃的碳納米管作為初始模型，如圖1和2所示：

圖1 VMD構建碳納米管的界面

圖2 初始碳納米管模型

模擬在3000K下進行，注意溫度既不能太高，也不能太低。模擬時間設置為20ps,步長為1.5fs。由于模擬過程會牽扯到鍵的形成和斷裂，因此不能對鍵長進行約束，shake要設置為0。xtb的輸入文件如圖3所示：

圖3 xtb 的輸入文件

模擬分析

經過20ps的模擬后，可以觀察到碳納米管的結構演變以及富勒烯的形成過程，如圖4所示：

圖4 富勒烯的形成過程

可以看到，模擬過程中，碳納米管先發生扭曲變形，隨后一端開始發生封閉，當兩端都封閉后逐漸形成球形的富勒烯，模擬至20ps，完美的C60富勒烯已經能自發形成。

結語

本案例基于xtb軟件采用AIMD方法成功實現了富勒烯的形成模擬，為未來的富勒烯合成和材料設計提供了理論支持。隨著計算能力的不斷提升，我們有望在未來開發出更高效、更可控的富勒烯合成方法。

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