勢參數(shù)的案例
Lammps模擬時(shí)金屬原子的L-J勢參數(shù)提取方法
可以支持包括氣態(tài)，液態(tài)或者固態(tài)相形態(tài)下、各種系綜下、百萬級的原子分子體系，并提供多種勢函數(shù)支持。LAMMPS 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有良好的并行擴(kuò)展性。是當(dāng)下一款非常好的分子動力學(xué)軟件包。在使用lammps模擬時(shí)候，經(jīng)常會用到力場參數(shù)，如L-J、eam和Buck勢函數(shù)，這些參數(shù)可從文獻(xiàn)中獲得，但是文獻(xiàn)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(shù)。以L-J勢函數(shù)為例進(jìn)行說明：
第一種方法：
1. 首先了解勢函數(shù)網(wǎng)站（Mg原子為例）：https://www.ctcms.nist.gov/potentials/
2. 選擇金屬M(fèi)g原子：直接點(diǎn)擊元素名稱即可查得該元素對應(yīng)的L-J力場參數(shù)，點(diǎn)擊Download 可以下載對應(yīng)的參考文獻(xiàn)，如Mg的L-J參數(shù)如下（Epsilon、Sigma）
3. 由于勢函數(shù)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(shù)有三個(gè)，但是不確定哪個(gè)適用于自己的研究體系，所以得認(rèn)真、進(jìn)一步測試。
4. 點(diǎn)擊Download, 如下界面所示，即轉(zhuǎn)到勢參數(shù)的文獻(xiàn)，如箭頭所示，分別為L-J參數(shù)： Epsilon、Sigma
對比一下，文獻(xiàn)結(jié)果與網(wǎng)站結(jié)果一致！
5. 第三個(gè)Mg原子的勢參數(shù)如前面一樣，結(jié)果如下，但是第二個(gè)勢參數(shù)在原文中找不到出處，可能的原因是需要轉(zhuǎn)換單位（所以第二個(gè)勢參數(shù)得認(rèn)真測試）。
6. 單位轉(zhuǎn)換：怎么樣將kcal/mol或者kj/mol轉(zhuǎn)成eV?
展開 基于CP2K模擬銅棒的熔化
初始模型的構(gòu)建
啟動VMD，首先通過VMD的Extensions-Modeling-Inorganic Builder模塊構(gòu)建金屬銅棒模型，構(gòu)建的銅棒如圖1所示：
圖1 金屬銅棒模型模型結(jié)構(gòu)
在CP2K的輸入文件中任務(wù)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(shè)為200K，熱浴TIMECON設(shè)為500，步數(shù)STEPS設(shè)為20000，設(shè)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(jìn)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(guān)于理論方法和系綜的設(shè)置
圖3 CP2輸入文件中關(guān)于Cu的EAM勢的設(shè)置
模擬結(jié)果討論
將cp2k的輸入文件和Cu的EAM勢參數(shù)文件放在同一目錄下提交計(jì)算。模擬結(jié)果如圖4所示。可以看到，隨著模擬的進(jìn)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(jié)構(gòu)變化
圖5 模擬20ps后銅棒俯視圖
結(jié)語本案例通CP2K分子動力學(xué)模擬，成功實(shí)現(xiàn)了高溫下金屬銅棒的熔化過程。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(gè)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。
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展開 聚合物材料模擬：概述和實(shí)例
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(jì)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(shí)，距離表面的距離與能量之間的關(guān)系的DFT計(jì)算結(jié)果（每種分子種類用點(diǎn)表示），以及擬合到用于分子動力學(xué)的Lennard-Jones（LJ）勢的曲線。表面吸附能在界面設(shè)計(jì)中非常重要，但在某些情況下，沒有合理的LJ勢參數(shù)，需要通過DFT或其他方法進(jìn)行評估。
2、全原子分子動力學(xué)
在全原子分子動力學(xué)（FAMD）中，一個(gè)粒子代表一個(gè)原子（圖2左），每個(gè)粒子的動力學(xué)是基于牛頓運(yùn)動方程計(jì)算的。作用在每個(gè)原子上的力由一個(gè)函數(shù)和參數(shù)給出，包括上述的LJ勢。FAMD可以用來評估分子結(jié)構(gòu)變化（如官能團(tuán)）對分子構(gòu)象和動力學(xué)的影響。例如，聚合物在體積狀態(tài)下的密度和彈性模量，其中氣體分子的自由體積分布和擴(kuò)散以及有向（晶體）結(jié)構(gòu)。由于其適用于各種應(yīng)用，F(xiàn)AMD變得很受歡迎。另一方面，只要使用通用計(jì)算機(jī)，可以處理的空間尺度約為10納米，時(shí)間尺度在使用最近的軟件和硬件（如GPU）時(shí)為100納秒量級。這對于處理聚合物的長時(shí)間松弛現(xiàn)象等是不夠的。
圖2. 左圖：FAMD表示的聚異戊二烯分子結(jié)構(gòu)，右圖：CGMD圖像
3、粗粒度分子動力學(xué)
在粗粒度分子動力學(xué)（CGMD）中，一個(gè)粒子代表幾個(gè)原子的一組（圖2，右）。例如，在評估橡膠材料的拉伸性能時(shí)，需要在可以處理橡膠狀態(tài)的時(shí)間尺度（變形速率）上進(jìn)行計(jì)算。這很難通過FAMD實(shí)現(xiàn)，但可以通過CGMD實(shí)現(xiàn)。粗粒度單元之間的相互作用（粗粒度勢）可以基于FAMD確定。或者，可以使用簡化參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如MPa等單位）進(jìn)行交叉驗(yàn)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(jié)構(gòu)（熱塑性彈性體）在單軸拉伸過程中的行為。
展開 Lammps 初學(xué)者——in 文件中文解析
Dump ID group-ID style N file args
ID：自己給這個(gè) dump 命令定義的一個(gè)代號（自定義）
group-ID：那些信息需要被輸出的原子群（預(yù)先定義好 group） Style：類型
N：每經(jīng)過多少時(shí)間步輸出信息
File： 輸 出 名 稱Args：相關(guān)參數(shù)（每個(gè)類型不同）
Restart：
運(yùn)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(shù) 3.61
region box block 0 4 0 4 0 4 # x,y,z 各方向上的晶胞重復(fù)單元數(shù)，也即區(qū)域大小
create_box 1 box # 將上述區(qū)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(yùn)行 0 步，僅為啟動 lammps 的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算
variable E equal pe # 定義變量 E 為系統(tǒng)總勢能
variable N equal atoms # 定義變量 N 為系統(tǒng)總原子數(shù)
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(gè)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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