粗粒分子動力學(xué)的案例
[分析示例] 使用粗粒化分子動力學(xué)進(jìn)行雙折射分析
粗粒化分子動力學(xué)和反向映射計(jì)算雙折射性質(zhì)
眾所周知，高分子材料中的大變形會導(dǎo)致定向雙折射。先前的J-OCTA實(shí)例已經(jīng)介紹了全原子分子動力學(xué)（FAMD）[1]和多尺度方法[2]。
在使用全原子MD時，存在的問題是模擬的時間尺度較短。這會導(dǎo)致變形速率較快，聚合物在變形響應(yīng)中的松弛無法及時完成，從而導(dǎo)致過度定向的狀態(tài)。另一方面，粗粒化分子動力學(xué)（CGMD）可應(yīng)用于較長的時間尺度，即變形速度比全原子MD要慢得多。
本文使用J-OCTA中內(nèi)置的粗粒化勢構(gòu)建功能，建立聚碳酸酯（PC）的粗粒化模型。使用粗粒化MD進(jìn)行單軸拉伸計(jì)算，并將其反向映射到全原子模型（圖1）。
在松弛之后，使用J-OCTA的流程函數(shù)進(jìn)行了雙折射性質(zhì)評估，與[1]中類似。圖2顯示了在拉伸變形下雙折射性質(zhì)的變化：與FAMD相比，CGMD可以處理較慢的變形速度；當(dāng)速度降低到0.1 m/s時，模擬值與文獻(xiàn)[3]中的實(shí)驗(yàn)值接近。
圖1. （上）使用粗粒化MD計(jì)算單軸拉伸的快照
（下） 采用反向映射功能從粗粒化MD結(jié)果獲得的全原子MD分子結(jié)構(gòu)
圖2. 采用全原子MD和粗粒化MD計(jì)算雙折射性質(zhì)隨單軸拉伸的變化不同變形速率的結(jié)果
參考文獻(xiàn)
[1] https://www.j-octa.com/cases/caseA06/
[2] (日文版) https://www.jsol-cae.com/product/material/jocta/cases/caseA37/
[3] (日文版) J.
展開 基于GROMACS的小分子自組裝分子動力學(xué)模擬
關(guān)鍵詞：GROMACS；小分子；自組裝；分子動力學(xué)；回轉(zhuǎn)半徑
背景介紹
小分子自組裝過程廣泛存在于材料、生命與能源體系中，其微觀機(jī)理關(guān)乎膠束/囊泡形成、層狀有序相的出現(xiàn)以及功能納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相比僅觀察宏觀現(xiàn)象，分子動力學(xué)（MD）能在原子尺度直接揭示小分子的自組裝機(jī)理，直觀體現(xiàn)其自組裝過程，從而為藥物，納米材料設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
本案例基于GROMACS軟件，模擬分析匹格列酮四聚體的分子自組裝過程。
初始模型構(gòu)建
首先利用Packmol構(gòu)建匹格列酮四聚體模型，盒子大小為3*3*3，packmol輸入文件如圖1所示：
圖1 Packmol 輸入文件
所構(gòu)建的匹格列酮四聚體初始模型結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 匹格列酮四聚體初始模型結(jié)構(gòu)
首先進(jìn)行能量最小化：
gmx grompp -f em.mdp -c mix.gro -p top.top -o em.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm em
能量最小化后進(jìn)行2 ns的平衡模擬:
gmx grompp -f md.mdp -c em.gro -p top.top -o md.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm md
模擬分析
經(jīng)過2ns的平衡模擬后，可以看到四個匹格列酮小分子已經(jīng)成功發(fā)生了自組裝，如圖3所示：
圖3 模擬2ns后匹格列酮四聚體結(jié)構(gòu)
我們進(jìn)一步分析匹格列酮四聚體的回轉(zhuǎn)半徑:
gmx gyrate -f md.xtc -s md.tpr -p
可以看到，在初始50ps的模擬過程中，分子間距離迅速收縮，表明自組裝過程已經(jīng)在進(jìn)行。
展開 SCIGRESS--分子動力學(xué)及多功能分子設(shè)計(jì)模擬軟件包
SCIGRESS 先進(jìn)的分子建模和可視化功能使得研究者可以方便的導(dǎo)入多種實(shí)驗(yàn)方法所得的分子結(jié)構(gòu)，也可以輕松的建立一個新的結(jié)構(gòu)。除了豐富的建模工具外， SCIGRESS也提供了強(qiáng)大的計(jì)算引擎和全面的分析工具。
分子動力學(xué)計(jì)算引擎Materials Explorer是由日本FUJITSU公司開發(fā)的一種高效的商業(yè)化的多用途分子動力學(xué)軟件包。Materials Explorer功能非常強(qiáng)大，有63個力場供選擇，可以用來研究有機(jī)物、高聚物、生物大分子、金屬、陶瓷材料、半導(dǎo)體等晶體、非晶體、溶液、流體、液體 和氣體的相變、膨脹、壓縮系數(shù)、抗張強(qiáng)度、粘度、熱導(dǎo)率、缺陷等。小分子藥物與生物大分子的對接以及小分子藥物的構(gòu)效關(guān)系一直是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)中兩項(xiàng) 非常重要的內(nèi)容。Scigress繼承了CAChe的功能，提供了這兩項(xiàng)計(jì)算功能。此外，Scigress還包括了使用廣泛的半經(jīng)驗(yàn)量化計(jì)算模塊。通過 Scigress，研究者可以完成掃描分子勢能面，確定化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，尋找反應(yīng)過渡態(tài)，分析紅外紫外光譜，明確分子軌道中的電子躍遷，常規(guī)分子動力學(xué)模 擬，計(jì)算眾多材料體系的力學(xué)與熱力學(xué)性質(zhì)，模擬晶體的外延生長與表面吸附的動態(tài)行為，預(yù)測小分子在多孔材料中的分布情況，列舉分子的低能構(gòu)象，建立藥物分 子的構(gòu)效關(guān)系模型，完成小分子藥物與生物靶標(biāo)的對接等多種科研任務(wù)。
SCIGRESS 實(shí)現(xiàn)了Client-Server 構(gòu)架。研究者可以簡便的利用位于Microsoft Windows 平臺下的界面進(jìn)行建模和結(jié)果分析，把大量的計(jì)算任務(wù)分配到服務(wù)器或計(jì)算集群中進(jìn)行。這樣就使得研究者可以對更大的體系進(jìn)行更精確的模擬計(jì)算。
展開 力學(xué)所高溫氣體動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LHD）與大連化物所分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（MRD）學(xué)術(shù)討
為進(jìn)一步推動高溫氣體動力學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科融合和交叉、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開拓發(fā)展，8月31日LHD赴中科院大連化物所與分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（MRD）開展學(xué)術(shù)討論。力學(xué)所黨委書記劉桂菊、學(xué)術(shù)委員會副主任姜宗林、LHD主任張新宇，大化所化學(xué)動力學(xué)研究中心主任楊學(xué)明院士、MRD主任張東輝院士等來自力學(xué)所和大化所的30余人參加討論會。會議由楊學(xué)明主持。
劉桂菊在致辭中表示，大化所、力學(xué)所各具風(fēng)格和特點(diǎn)，相互學(xué)習(xí)和交流將可能產(chǎn)生重要的思想火花，促進(jìn)合作的開展，LHD高度重視此次活動，針對預(yù)先溝通的四個主要問題準(zhǔn)備研討內(nèi)容主題，希望兩個國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步落實(shí)合作的切入點(diǎn)以及具體內(nèi)容。
楊學(xué)明在致辭中向參會人員表示熱烈的歡迎，認(rèn)為分子反應(yīng)動力學(xué)和高溫氣體動力學(xué)關(guān)系到各自研究領(lǐng)域的下一步發(fā)展趨勢，期望通過交流找到學(xué)科交叉的具體合作點(diǎn)。
張新宇、楊學(xué)明分別介紹了LHD、化學(xué)動力學(xué)研究中心及MRD的總體情況和研究特點(diǎn)。本次會議共做8個專題學(xué)術(shù)報告，分別涉及化學(xué)動力學(xué)理論、高溫氣體動力學(xué)以及燃燒反應(yīng)、大連相干光源、超聲速燃燒和光學(xué)測量、交叉分子束、激波管化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)速率計(jì)算、高超風(fēng)洞和稀薄氣體風(fēng)洞等多個方面，與會成員展開熱烈討論。
會議雙方經(jīng)過細(xì)致討論，決定成立工作組，在飛行器表面反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)速率測量、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的光譜學(xué)和質(zhì)譜學(xué)、交叉分子束動力學(xué)和重大科研平臺建設(shè)等方面開展合作。
展開 
Gromacs分子動力學(xué)培訓(xùn)通知
一，軟件介紹
GROMACS是一個用于分子動力學(xué)模擬和能量最小化的計(jì)算引擎。 科技的發(fā)展已然遍布世界，對于事物的探討尤其是對微觀動力學(xué)現(xiàn)象的研究越來越依賴于計(jì)算機(jī)。. 由此，模擬技術(shù)與實(shí)驗(yàn)、理論三者的結(jié)合是現(xiàn)在以及未來被認(rèn)可和推廣的研究手段。. 分子動力學(xué)模擬不僅可以解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證理論結(jié)果，而且還發(fā)揮著預(yù)見性作用。. 其在生物、醫(yī)藥、材料、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。. 在分子動力學(xué)的模擬研究中，一款開源、自由、免費(fèi)的軟件GROMACS得到了廣泛的應(yīng)用。. 它可以用于幾百萬個粒子體系的分子動力學(xué)模擬研究，特別是生物體系，比如磷脂雙分子層生物膜、蛋白質(zhì)、藥物分子等。另外，GROMACS能夠非常快速地計(jì)算非鍵作用，因此也可用于非生物體系，如聚合物、一些有機(jī)物、無機(jī)物等。
二.培訓(xùn)方式
本次培訓(xùn)全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進(jìn)行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術(shù)交流，學(xué)員需要自行準(zhǔn)備電腦。
三 培訓(xùn)對象
需要使用Gromacs軟件進(jìn)行科學(xué)研究的老師,學(xué)生以及其他研究人員.
四、培訓(xùn)內(nèi)容
針對gromacs軟件的常用模塊進(jìn)行教學(xué)，包括蛋白與配體模擬分析，離子液體，小分子與細(xì)胞膜相互作用，同時介紹gromacs中的各分析模塊使用功能。具體內(nèi)容如下：
1. 蛋白與配體模擬分析
蛋白質(zhì)的預(yù)處理，配體分子建模
1.1分子動力學(xué)模擬的力場
1.2.分子動力學(xué)模擬的參數(shù)及方法
1.3復(fù)合物構(gòu)象隨時間的變化
1.4.
展開 分子動力學(xué)模擬介紹
分子動力學(xué)簡介：
分子動力學(xué)方法是一種計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)方法，是研究凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。該技術(shù)不僅可以得到原子的運(yùn)動軌跡，還可以觀察到原子運(yùn)動過程中各種微觀細(xì)節(jié)。它是對理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物物理和藥物設(shè)計(jì)等。經(jīng)典MD模擬，其系統(tǒng)規(guī)模在一般的計(jì)算機(jī)上也可達(dá)到數(shù)萬個原子，模擬時間為納秒量級。2006年進(jìn)行了三千二百億個原子的模擬（IBMlueGene/L）。
分子動力學(xué)總是假定原子的運(yùn)動服從某種確定的描述，這種描敘可以牛頓方程、拉格朗日方程或哈密頓方程所確定的描述，也就是說原子的運(yùn)動和確定的軌跡聯(lián)系在一起。在忽略核子的量子效應(yīng)和Born-Oppenheimer絕熱近似下，分子動力學(xué)的這一種假設(shè)是可行的。所謂絕熱近似也就是要求在分子動力學(xué)過程中的每一瞬間電子都處于原子結(jié)構(gòu)的基態(tài)。要進(jìn)行分子動力學(xué)模擬就必須知道原子間的相互作用勢。
在分子動力學(xué)模擬中，我們一般采用經(jīng)驗(yàn)勢來代替原子間的相互作用勢，如Lennard-Jones勢、Mores勢、EAM原子嵌入勢、F-S多體勢。然而采用經(jīng)驗(yàn)勢必然丟失了局域電子結(jié)構(gòu)之間存在的強(qiáng)相關(guān)作用信息，即不能得到原子動力學(xué)過程中的電子性質(zhì)。
詳細(xì)介紹請見附件。
2、分子模擬的三步法和大致分類
三步法：
第一步：建模。包括幾何建模，物理建模，化學(xué)建模，力學(xué)建模。初始條件的設(shè)定，這里要從微觀和宏觀兩個方面進(jìn)行考慮。
第二步：過程。這里就是體現(xiàn)所謂分子動力學(xué)特點(diǎn)的地方。包括對運(yùn)動方程的積分的有效算法。對實(shí)際的過程的模擬算法。關(guān)鍵是分清楚平衡和非平衡，靜態(tài)和動態(tài)以及準(zhǔn)靜態(tài)情況。
第三步：分析。這里是做學(xué)問的關(guān)鍵。你需要從以上的計(jì)算的結(jié)果中提取年需要的特征，說明你的問題的實(shí)質(zhì)和結(jié)果。因此關(guān)鍵是統(tǒng)計(jì)、平均、定義、計(jì)算。
展開 分子動力學(xué)簡介及入門
應(yīng)用
分子動力學(xué)可以用于NPT，NVE，NVT等系綜的計(jì)算，是一種基于牛頓力學(xué)確定論的熱力學(xué)計(jì)算方法，與蒙特卡洛法相比在宏觀性質(zhì)計(jì)算上具有更高的準(zhǔn)確度和有效性，可以廣泛應(yīng)用于物理，化學(xué)，生物，材料，醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。
另外，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常把分子動力學(xué)方法和蒙特卡羅法聯(lián)合使用。
材料模擬及分子動力學(xué)實(shí)戰(zhàn)班.pdf
第十一期lammps分子動力學(xué)模擬核心技術(shù)培訓(xùn)班(1).pdf
分子動力學(xué)仿真模擬
圖1：利用分子動力學(xué)計(jì)算的材料（此材料為Cr2O3固體）各種機(jī)械性質(zhì)。
2. 熱力學(xué)性能：聲子態(tài)密度，比熱容（等容或等壓），熔點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)（1D-3D），等溫壓縮系數(shù)，熱導(dǎo)率（僅限非金屬材料，例如石墨烯等），等等。
圖2：利用分子動力學(xué)計(jì)算的材料（此材料為銅-銀納米顆粒）熱力學(xué)各性質(zhì)。
· 各尺度材料的動力學(xué)過程模擬與研究：
1. 材料的融化過程：例如金屬納米顆粒，高熵合金，等等。
圖3：利用分子動力學(xué)模擬的銅銀納米顆粒以及鋁-銅-鐵-鉻-鎳高熵合金納米顆粒的融化過程。
2. 顆粒在不同條件下的燒結(jié)過程：例如不同溫度，壓力 ，顆粒的大小，等等。
圖4：利用分子動力學(xué)模擬的銅銀納米顆粒及納米線在不同溫度下的燒結(jié)過程
3. 焊接過程：例如, 鎳、鋁納米顆粒與Inconel 718合金的浸潤或者焊接過程
圖5：利用分子動力學(xué)模擬的鎳納米顆粒在鎳基板上的浸潤過程以及焊接Inconel 718合金的過程
4. 固相或液相擴(kuò)散過程：例如θ’-Al2Cu沉積相在鋁合金中的擴(kuò)散及生長，可計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散激活能等。
圖6：利用分子動力學(xué)模擬的θ′-Al2Cu在鋁合金中的擴(kuò)散過程。
來源：海納有限元服務(wù)號
展開 藥物設(shè)計(jì)中的分子動力學(xué)
分子動力學(xué)（MD）模擬是基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)的有用工具。一些情況下，在對接之前已經(jīng)進(jìn)行了蛋白質(zhì)靶標(biāo)的MD模擬以產(chǎn)生與晶體結(jié)構(gòu)不同的可用蛋白質(zhì)構(gòu)象異構(gòu)體。此外，在對接后進(jìn)行MD模擬，評估命中化合物的預(yù)測結(jié)合模式作為最終在計(jì)算中和引導(dǎo)化學(xué)合成用于命中優(yōu)化的過濾器。
1.MD作為分子片段映射到結(jié)合位點(diǎn)的工具
研究人員提出了MD作為工具分析蛋白質(zhì)與小分子的結(jié)合自由能表面和結(jié)合途徑。由于可用的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合親和力的測量，研究人員將MD應(yīng)用于FKBP的肽基脯氨酰順反異構(gòu)酶和六個配體之間的非氫原子。研究人員通過色氨酸熒光猝滅測定法測得FKBP的親和力在高μM至低mM范圍內(nèi)。對于每個配體產(chǎn)生了結(jié)合過程的構(gòu)象空間網(wǎng)絡(luò)。
第一步中，沿著多個軌跡保存的相對位置和方向根據(jù)一組分子間距離進(jìn)行聚類。集群被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并且在MD模擬期間觀察到這些集群之間的直接轉(zhuǎn)換是網(wǎng)絡(luò)的鏈路。有趣的是，網(wǎng)絡(luò)分析揭示了以不同的分子間氫鍵和疏水接觸為特征的多種結(jié)合模式。此外，解離動力學(xué)顯示單指數(shù)時間依賴性，這表明完全解離的屏障顯著高于不同結(jié)合模式之間的屏障。
比較實(shí)驗(yàn)和模擬方法是有啟發(fā)性的，用于分析片段與蛋白質(zhì)結(jié)合的上述生物物理技術(shù)在時間和空間分辨率方面具有局限性。相比之下，MD模擬在原子細(xì)節(jié)水平上產(chǎn)生了自由能表面和結(jié)合途徑的完整圖像。
2.通過MD選擇構(gòu)象異構(gòu)體
蛋白質(zhì)靶標(biāo)的晶體結(jié)構(gòu)表示折疊狀態(tài)下的許多狀態(tài)之一。大多數(shù)情況下，折疊狀態(tài)的整體拓?fù)湓谄渥訝顟B(tài)中是保守的，但是在結(jié)合位點(diǎn)中甚至單個側(cè)鏈的不同方向可以顯著影響對接結(jié)果。
McCammon小組開發(fā)了一種方案來解決對接中的蛋白質(zhì)柔性：首先，對載脂蛋白的MD模擬進(jìn)行廣泛構(gòu)象空間采樣。第二階段涉及到一個大型MD系綜幀的對接。
展開 LAMMPS分子動力學(xué)技術(shù)與應(yīng)用
http://flac3d.cn/hdp/mdhs/zsb.html
基于GROMACS的冰的拉伸分子動力學(xué)模擬
圖4 拉伸過程冰晶胞的變化
圖5 拉伸過程冰晶胞的能量變化
結(jié)語
通過GROMACS分子動力學(xué)模擬，本案例成功探究了冰晶胞拉伸的演變過程。對于相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實(shí)際問題提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯(lián)絡(luò)。
分子動力學(xué)模擬-礦物表面潤濕性
關(guān)鍵詞：頁巖油，分子動力學(xué)，lammps，gromacs，界面張力，最小混相壓力
摘要：分子模擬方法在探究納米尺度下分子間相互作用方面展現(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢。因此，本文采用分子動力學(xué)模擬方法，研究礦物表面潤濕性。
通過我這套LAMMPS, GROMACS代碼，你可以實(shí)現(xiàn)不同氛圍氣體，不同溫度下的潤濕性-接觸角計(jì)算。這套代碼還可以把氣體換成油，水中加入表面活性劑，助溶劑，離子等，進(jìn)行研究。
MS，LAMMPS，GROMACS均可以實(shí)現(xiàn)，這里介紹LAMMPS，GROAMCS流程。
1，初始模型構(gòu)建：初始模型是氣-水-壁面模型，使用PACKMOL構(gòu)建，使用lammps也可以用lammps建模
2，選擇力場：CO2可用TRAPPE，EPM2力場，H2O用SPC/E力場，油用OPLS-AA力場，黏土礦物用clayff力場
3，進(jìn)行分子動力學(xué)模擬：能量最小化-平衡動力學(xué)-生產(chǎn)動力學(xué)
4，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可分析密度分布，擴(kuò)散系數(shù)，相互作用力參數(shù)等
5，提供LAMMPS in文件，data文件; GROMACS：mdp，top，inp，pdb，gro，xtx等文件
首先設(shè)置一個初始尺寸較大的模擬盒子，如圖1所示。
體系設(shè)置為NVT系綜，可以設(shè)置多個溫度，觀察溫度的影響。壓力由氣體數(shù)量決定。麻煩點(diǎn)可以在體系上面加一個板子，用NEMD壓板子。這個體系8ns就穩(wěn)定了。
圖2是 6ns的穩(wěn)定構(gòu)象。
圖3 是接觸角的二維密度分布。
圖4 是密度分布，還可分析相互作用能
圖5 顯示了親水礦物可能不存在接觸角
圖6-圖7 是溫度-壓力對接觸角的影響。
展開 VASP計(jì)算分子動力學(xué) INCAR ￥20
使用的是NVE系綜
分子動力學(xué)模擬LAMMPS實(shí)戰(zhàn)研修
LAMMPS分子動力學(xué)核心技術(shù)實(shí)戰(zhàn)培訓(xùn)班
2020年10月30日—— 2020年11月2日 (線上直播)
課程目標(biāo)：
1. LAMMPS分子動力學(xué)理論與軟件操作培訓(xùn)，邊講解邊實(shí)踐操作。
2. 通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)員熟練掌握LAMMPS分子動力學(xué)的原理、方法、軟件操作。
3. 學(xué)員基本具備獨(dú)立完成LAMMPS分子動力學(xué)的論文及實(shí)際科研工程的能力。
課程大綱
一、Lammps基礎(chǔ)與原理
MD模擬的基本邏輯思路
Lammps軟件學(xué)習(xí)框架
Lammps研究的幾方面重要資源
二、In文件的基本邏輯框架、基本命令
三、Lammps建模與進(jìn)階
四、用Lammps模擬具體物理問題（應(yīng)用中存在的問題）
五、用Lammps輸出研究所需要的數(shù)據(jù)信息
六，Lammps大量實(shí)例練習(xí)賞析（已發(fā)表文章）
七、LAMMPS高級研修及案例操作
另有
《分子動力學(xué)材料模擬》10月15---10月18日
有意者隨時聯(lián)系！
【咨詢電話】報名聯(lián)系方式：
李連杰(老師) 手機(jī)：13311241619 電話：010-56129268
備注：可以開具培訓(xùn)費(fèi)、會議費(fèi)、資料費(fèi)
lammps分子動力學(xué)QQ群號:753267868
分子動力學(xué)材料模擬QQ群群號：624464591
（加群備注：李連杰老師邀請）
展開 利用LAMMPS 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱的分子動力學(xué)模擬
1. LJ體系的熱導(dǎo)率模擬
1.1.問題描述
1.2模型說明
具體模型如圖1.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為0.6，沿x（100）、y（010）方向?yàn)?0倍晶格長度，z（001）方向?yàn)?0倍晶格長度。采用compute chunk/atom將模型沿著z方向分成20塊，設(shè)置底端0-1倍晶格長度為熱端，中間10-11為冷端。模擬溫度為1.35。先讓模型在該溫度下NVT弛豫1000步。然后再使用NVE系綜，冷熱源采用langevin控溫。熱端設(shè)置為1.7，冷端設(shè)置為1.0，弛豫到熱源和冷源的溫差達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這時整體的熱流基本也達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。此時再繼續(xù)運(yùn)行20000步，統(tǒng)計(jì)冷源和熱源的動能轉(zhuǎn)移和溫度分布情況，用以計(jì)算熱導(dǎo)率。
圖1.1：晶體模型示意圖
1.3結(jié)果整理與分析
在最后一1000步的溫度梯度和溫差波動如圖1.2所示，可以明顯看出熱端和冷端的溫度差，熱流保持著相對穩(wěn)定的狀體。由于本次計(jì)算采用周期性體系，因此溫度呈現(xiàn)V形分布。具體熱導(dǎo)率的計(jì)算過程為：
（1） 熱流密度計(jì)算:
總轉(zhuǎn)移能量為(Q)：參與能量轉(zhuǎn)移的原子數(shù)*(熱端轉(zhuǎn)移能量-冷端轉(zhuǎn)移能量）/2；
總計(jì)算時間為(t)：時間步長*運(yùn)行步數(shù)
截面積：lx*ly
熱流密度:
(2) 溫度梯度計(jì)算：
平均溫差(dt)：0.57；
溫度梯度（考慮周期性）：dt/2/lz
因此本次計(jì)算的熱導(dǎo)率為3.39
圖1.2：最后一1000步的溫度梯度（左）和模擬過程中的溫差波動
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