勢參數
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2021-10-10
勢參數的實例教程
可以支持包括氣態，液態或者固態相形態下、各種系綜下、百萬級的原子分子體系，并提供多種勢函數支持。LAMMPS 的另一個優點是具有良好的并行擴展性。是當下一款非常好的分子動力學軟件包。在使用lammps模擬時候，經常會用到力場參數，如L-J、eam和Buck勢函數，這些參數可從文獻中獲得，但是文獻查找起來相對繁瑣，可能需要查閱多篇論文才能找到需要的勢參數。以L-J勢函數為例進行說明：
第一種方法：
1. 首先了解勢函數網站（Mg原子為例）：https://www.ctcms.nist.gov/potentials/
2. 選擇金屬Mg原子：直接點擊元素名稱即可查得該元素對應的L-J力場參數，點擊Download 可以下載對應的參考文獻，如Mg的L-J參數如下（Epsilon、Sigma）
3. 由于勢函數的擬合方法不同，所以在選擇上也需要作出判斷，如下，Mg的L-J 勢參數有三個，但是不確定哪個適用于自己的研究體系，所以得認真、進一步測試。
4. 點擊Download, 如下界面所示，即轉到勢參數的文獻，如箭頭所示，分別為L-J參數： Epsilon、Sigma
對比一下，文獻結果與網站結果一致！
5. 第三個Mg原子的勢參數如前面一樣，結果如下，但是第二個勢參數在原文中找不到出處，可能的原因是需要轉換單位（所以第二個勢參數得認真測試）。
6. 單位轉換：怎么樣將kcal/mol或者kj/mol轉成eV?
展開 初始模型的構建
啟動VMD，首先通過VMD的Extensions-Modeling-Inorganic Builder模塊構建金屬銅棒模型，構建的銅棒如圖1所示：
圖1 金屬銅棒模型模型結構
在CP2K的輸入文件中任務類型選擇MD，理論方法采用FIST（分子力場），采用NVT系綜，熱浴采用CSVR，溫度設為200K，熱浴TIMECON設為500，步數STEPS設為20000，設置EAM勢描述Cu原子之間的相互作用，另外將銅棒底部z<50埃的部分進行固定，部分輸入文件如圖2和圖3所示：
圖2 CP2輸入文件中關于理論方法和系綜的設置
圖3 CP2輸入文件中關于Cu的EAM勢的設置
模擬結果討論
將cp2k的輸入文件和Cu的EAM勢參數文件放在同一目錄下提交計算。模擬結果如圖4所示?？梢钥吹剑S著模擬的進行，加熱的金屬銅棒逐漸開始熔化。由于表面張力的作用，熔化部分最后會形成球形。
圖4 銅棒2000 K高溫熔化過程的結構變化
圖5 模擬20ps后銅棒俯視圖
結語本案例通CP2K分子動力學模擬，成功實現了高溫下金屬銅棒的熔化過程。對于相關領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，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。
最后，如果您對于該案例感興趣，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡，獲取完整的案例支持與個性化定制解決方案！
展開 通過DFT評估分子在銅表面的吸附能
（左圖：丙烷/丁烷/戊烷/己烷分子的吸附能曲線；右圖：計算模型）
圖1顯示了在考慮范德華力的情況下，分子吸附在銅晶體表面時，距離表面的距離與能量之間的關系的DFT計算結果（每種分子種類用點表示），以及擬合到用于分子動力學的Lennard-Jones（LJ）勢的曲線。表面吸附能在界面設計中非常重要，但在某些情況下，沒有合理的LJ勢參數，需要通過DFT或其他方法進行評估。
2、全原子分子動力學
在全原子分子動力學（FAMD）中，一個粒子代表一個原子（圖2左），每個粒子的動力學是基于牛頓運動方程計算的。作用在每個原子上的力由一個函數和參數給出，包括上述的LJ勢。FAMD可以用來評估分子結構變化（如官能團）對分子構象和動力學的影響。例如，聚合物在體積狀態下的密度和彈性模量，其中氣體分子的自由體積分布和擴散以及有向（晶體）結構。由于其適用于各種應用，FAMD變得很受歡迎。另一方面，只要使用通用計算機，可以處理的空間尺度約為10納米，時間尺度在使用最近的軟件和硬件（如GPU）時為100納秒量級。這對于處理聚合物的長時間松弛現象等是不夠的。
圖2. 左圖：FAMD表示的聚異戊二烯分子結構，右圖：CGMD圖像
3、粗粒度分子動力學
在粗粒度分子動力學（CGMD）中，一個粒子代表幾個原子的一組（圖2，右）。例如，在評估橡膠材料的拉伸性能時，需要在可以處理橡膠狀態的時間尺度（變形速率）上進行計算。這很難通過FAMD實現，但可以通過CGMD實現。粗粒度單元之間的相互作用（粗粒度勢）可以基于FAMD確定?；蛘?，可以使用簡化參數進行計算，然后與實驗數據（如MPa等單位）進行交叉驗證。
在圖3中，評估了由三嵌段共聚物（如苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯（SIS））形成的相分離結構（熱塑性彈性體）在單軸拉伸過程中的行為。
展開 Dump ID group-ID style N file args
ID：自己給這個 dump 命令定義的一個代號（自定義）
group-ID：那些信息需要被輸出的原子群（預先定義好 group） Style：類型
N：每經過多少時間步輸出信息
File： 輸 出 名 稱Args：相關參數（每個類型不同）
Restart：
運行
Run： Minimize：
例一
units metal # 單位為 lammps 中的 metel 類型
boundary p p p # 周期性邊界條件
atom_style atomic # 原子模式
lattice fcc 3.61 # Cu 的晶格常數 3.61
region box block 0 4 0 4 0 4 # x,y,z 各方向上的晶胞重復單元數，也即區域大小
create_box 1 box # 將上述區域指定為模擬的盒子create_atoms 1 box # 將原子按晶格填滿盒子pair_style eam # 選取 Cu 的 EAM 勢作為模型pair_coeff * * Cu_u3.eam # EAM 勢文件名稱
run 0 # 運行 0 步，僅為啟動 lammps 的熱力學數據計算
variable E equal pe # 定義變量 E 為系統總勢能
variable N equal atoms # 定義變量 N 為系統總原子數
print "the number of atoms & system energy now are $N $E" # 打印信息
create_atoms 1 single 2.45 2.05 2.05 # 在該位置插入一個原子
min_style sd # 能量最小化模式，sd
minimize 1.0e-12 1.0e-12 1000
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勢參數的最新內容
基于CP2K模擬銅棒的熔化2個月前
TIMECON設為500，步數STEPS設為20000，設置EAM勢描述Cu原子之間的相互作用，另外將銅棒底部z<50埃的部分進行固定，部分輸入文件如圖2和圖3所示：
圖2 CP2輸入文件中關于理論方法和系綜的設置
圖3 CP2輸入文件中關于Cu的EAM勢的設置
模擬結果討論
將cp2k的輸入文件和Cu的EAM勢參數文件放在同一目錄下提交計算
表面吸附能在界面設計中非常重要，但在某些情況下，沒有合理的LJ勢參數，需要通過DFT或其他方法進行評估。
2、全原子分子動力學
在全原子分子動力學（FAMD）中，一個粒子代表一個原子（圖2左），每個粒子的動力學是基于牛頓運動方程計算的。作用在每個原子上的力由一個函數和參數給出，包括上述的LJ勢。FAMD可以用來評估分子結構變化（如官能團）對分子構象和動力學的影響。
第三個Mg原子的勢參數如前面一樣，結果如下，但是第二個勢參數在原文中找不到出處，可能的原因是需要轉換單位（所以第二個勢參數得認真測試）。
6. 單位轉換：怎么樣將kcal/mol或者kj/mol轉成eV?
定義一個長方體區域叫 box，長
30，寬和高是 3
create_box 1 box #創建了這樣一個 box
create_atoms 1 box #在 box 里創建了一種原子
mass 1 63.546 #定義這種原子的質量
是 63.546
# potentials
pair_style eam # 定義勢函數是 EAM
pair_coef * * Cu_u3.eam #勢所需要的參數在此文件里
