نصائح: المبادئ الأساسية والتطبيقات للديناميات الجزيئية

لكي يعكس نظام المحاكاة المجهرية الظواهر التجريبية العيانية، من الضروري تكرار نظام الكائنات المحاكى بشكل دوري من خلال شروط الحدود الدورية لتجنب تأثيرات الحافة التي لا وجود لها في الممارسة العملية. من حيث المبدأ، تتطلب الدراسة النظرية لأي نظام جزيئي حل معادلة شرودنجر المعتمدة على الزمن. ومع ذلك، في الممارسة العملية، يتم إيلاء المزيد من الاهتمام لمسار النواة. يمكن الحصول على مثل هذا المسار عن طريق حل المعادلة الميكانيكية الكلاسيكية للحركة باستخدام تقريب بورن أوبنهايمر. قال ألدر ووينرايت إن تجارب المحاكاة الحاسوبية ستصبح جسرًا مهمًا يربط بين الظواهر التجريبية العيانية والطبيعة المجهرية. بعد 10 سنوات من تجارب محاكاة الديناميكيات الجزيئية الأولى، اقترح الفيزيائي الفرنسي فيرليه خوارزمية تكامل لمعادلات نيوتن للحركة. وفي الوقت نفسه، تم اقتراح مجموعة أخرى من الخوارزميات لتوليد وتسجيل أزواج من الذرات المجاورة، مما يبسط إلى حد كبير حساب التفاعل بين الذرات. لا تزال هاتان الخوارزميتان تستخدمان على نطاق واسع في الممارسة العملية في بعض المتغيرات [1، 2].

تم تطوير مجموعة متنوعة من أساليب المحاكاة على المستوى الذري على مدى العقود القليلة الماضية، بما في ذلك احصائيات الشبكة، وديناميكية الشبكة، ومونت كارلو، والديناميات الجزيئية. من بينها، الديناميات الجزيئية مناسبة بشكل خاص لدراسة تشوه البلاستيك. يدرس السلوك اللحظي لعملية التشوه من خلال حل معادلة نيوتن لنظام التفاعل الذري لبعض الدوال المحتملة للتفاعل بين الذرات، ويتضمن عدم تبسيط الشبكة. التناغم والتفاوت في ارتفاع الضغط الداخلي والاستجابة العابرة للنظام.

تعتمد الديناميكيات الجزيئية بشكل أساسي على ميكانيكا نيوتن لمحاكاة حركة النظام الجزيئي لاستخراج عينات من الأنظمة المكونة من حالات مختلفة من النظام الجزيئي ، وبالتالي حساب التكوين المتكامل للنظام ، وكذلك حساب النظام بناءً على نتائج التكوين متكامل. الكميات الديناميكية الحرارية وخصائص عيانية أخرى. يحل معادلة الحركة لنظام متعدد الأجسام يتكون من نوى وإلكترونات. إنها طريقة حسابية يمكنها حل مشكلة ديناميكيات النظام لعدد كبير من التراكيب الذرية. لا يمكنها فقط محاكاة خصائص التطور العياني للمادة ، ولكنها تتفق أيضًا مع نتائج الاختبار. يمكن أن توفر الحسابات المماثلة أيضًا صورة واضحة للبنية المجهرية وحركة الجسيمات وعلاقتها بالخصائص المجهرية ، مما يوفر دعمًا تقنيًا قويًا لتطوير نظريات ومفاهيم جديدة.

الهدف من الديناميات الجزيئية هو نظام الجسيمات. يتم وصف التفاعل بين الذرات في النظام من خلال الوظيفة المحتملة. لذلك ، فإن الاختيار الصحيح لنوع الوظيفة المحتملة ومعلماتها يلعب دورًا مهمًا في نتائج المحاكاة. في معظم الحالات ، تبسط وظيفة الطاقة الكامنة وصف التشوه الهندسي للجزيء إلى الحد الذي يتم فيه استخدام المصطلح التوافقي البسيط والوظيفة المثلثية ؛ بدلاً من التفاعل بين ذرات الترابط ، يتم استخدام تفاعل كولوم وإمكانات لينارد جونز فقط. مجتمعة لوصف. من بينها ، وصف قوة التفاعل بين الذرات عادة ما يكون تجريبيًا أو شبه تجريبي ، والذي يمكن أن يحسن الكفاءة الحسابية ، ولكن لا يمكن أن يكشف بالكامل عن خصائص الأجسام المتعددة للرابط الإلكتروني ، وخاصة التعقيدات المتعلقة بهيكلها والكيمياء في محيط العيوب. دالة متغيرة ذاتيا. تجمع وظيفة EAM (نموذج الذرة المدمجة) المحتملة لـ Daw و Baskws بين خصائص الأجسام المتعددة للربط الإلكتروني إلى حد ما.

تعتمد موثوقية الوظيفة المحتملة بشكل أساسي على دقة معلمات مجال القوة ، ويمكن الحصول على معلمات مجال القوة عن طريق تركيب بيانات المراقبة التجريبية وبيانات أب البدء الميكانيكية الكمية. في الوقت الحاضر ، مجال القوة الجزيئية الأكثر استخدامًا في محاكاة أنظمة الجزيئات البيولوجية هو مجال قوة CHARMM ومجال قوة AMBER ، وهو مجال القوة الجزيئية للدراسة المبكرة للجزيئات البيولوجية الكبيرة. لا تزال معلمات مجال القوة الحالية قيد التحسين باستمرار كما أن أنواع الجزيئات المغطاة تتوسع أيضًا. يكتسب النموذج الخشنة الحبيبات المزيد والمزيد من الاهتمام في البحوث الفيزيائية الحيوية الحسابية ، حيث يتم تعريف الجسيمات الحبيبية الخشنة في هذا النموذج ، والتي تتوافق مع العديد من الذرات أو المجموعات الذرية أو حتى الجزيئات في نموذج الذرة بالكامل. يتم تقليل عدد الجسيمات في النظام ، بحيث يمكن تحسين مقياس الوقت والمكان للمحاكاة بشكل كبير ، ولكن سيتم أيضًا فقد التفاصيل الذرية. تعد محاكاة الديناميكيات الجزيئية القائمة على هذا النموذج مناسبة لدراسة الظواهر البيولوجية البطيئة أو الظواهر البيولوجية التي تعتمد على التجمعات الكبيرة.

يتمثل المبدأ الأساسي لتصميم مجال قوة أساسي في تقليل الحمل الزائد للطاقة الحسابية في خطوة زمنية لتعظيم مقياس المحاكاة. هذا مهم بشكل خاص لمجال القوة الذرية الكامل ، حتى بالنسبة لما يسمى بنموذج الحبيبات الخشنة. على وجه الخصوص ، هذا المبدأ مهم للغاية إذا كنت ترغب في محاكاة نطاقات زمنية ميكروثانية أو حتى ميلي ثانية.

يوضح الشكل 1 العلاقة العكسية بين أبعاد الزمان والمكان للديناميات الجزيئية ، من اليسار إلى اليمين في الشكل: (1) الماء ، المكونات الأساسية للخلايا ؛ (2) مثبط التربسين البقري ، وهو إنزيم ، "يمكن فحص سلوك التنفس على نطاق زمني بالمللي ثانية ؛ (3) الريبوسومات ، جهاز بيولوجي معقد يمكنه فك شفرة المعلومات الجينية وإنتاج البروتينات ؛ (4) شظايا غشاء بكتيري ضوئي أرجواني ، مع 25 مليون ذرة ، يوضح الشكل مركب حصاد الضوء المضمن في طبقة ثنائية الفسفوليبيد ومركز التفاعل الكيميائي الضوئي.

الشكل 1 علاقة المقياس بين الزمان والمكان للديناميات الجزيئية الكلاسيكية

مع النمو السريع لمعالجات الكمبيوتر وتطوير بنيات الحوسبة المتوازية على نطاق واسع ، والجمع بين تقنيات الهندسة المعمارية المتوازية على نطاق واسع أو الملكية مع برامج الديناميكيات الجزيئية القابلة للتطوير ، تتراوح عمليات المحاكاة الحاسوبية من الاضطرابات إلى آليات التشوه القائمة على حدود الحبوب. يفتح النطاق الكامل لأحجام الحبوب آفاقًا جديدة لاستكشاف حدود البحث في أنظمة المواد.

على سبيل المثال ، William Gonçalves et al. استخدم وظيفة Wolf BKS (van Beest و Kramer و van Santen) المحتملة لوصف التفاعل بين الذرات ، باستخدام المحاكي المتوازي الذري / الجزيئي LAMMPS (موازٍ ذري / جزيئي واسع النطاق). Simulator) درس الديناميكيات الجزيئية لمرونة وقوة السيليكا aerogels. لقد استخدموا خوارزمية velocity-Verlet وخطوة زمنية 1.0 fs ، واستخدموا شروط الحدود الدورية في جميع الاتجاهات الثلاثة.

الشكل 2 عبارة عن رسم تخطيطي ثلاثي الأبعاد لعينة كبيرة الحجم محاكاة لأكثر من 7.000.000 ذرة ، وقسم عينة بسمك 20 نانومتر وعرض مكبر جزئيًا (الأزرق عبارة عن ذرة أكسجين ، والأحمر عبارة عن ذرة سيليكون) ، والشكل 3 (أ) ) هو الهلام الهوائي 803 نانومتر 3. تم إخضاع العينة لاختبار شد أحادي المحور للحصول على منحنى إجهاد - إجهاد قدره 300 كلفن ، (bd) هي صورة كسر مطيلة نموذجية ، و (هـ) علاقة لوغاريتمية بين قوة الشد وحجم العينة. قاموا بتحليل أنه من أجل ضمان التقييم المناسب للخصائص الميكانيكية مثل المرونة ، فإن حجم العينة المحاكاة يكون على الأقل 8 أضعاف حجم المسام ، في حين أن الهلام الهوائي السيليكا مع ارتفاع السطح الإيجابي يتطلب معدل إجهاد منخفض نسبيًا لضمان شبه- ظروف ثابتة.

الشكل 2 عينة الهلام الهوائي لمحاكاة السيليكا (أكثر من سبعة ملايين ذرة)

الشكل 3 منحنى الإجهاد والانفعال (أ) ، العلاقة بين القوة والحجم (هـ) وصورة الكسر (bd) لاختبار الشد أحادي المحور

بشكل عام ، يبلغ حجم الحبوب الحرج العاصمة حوالي 20-30 نانومتر ، ويتم تحديد التشوه الأكبر لحجم الحبوب (50-100 نانومتر) بشكل أساسي عن طريق الاضطرابات ؛ عندما يكون حجم الحبوب أقل من 30 نانومتر ، فإن عملية تشوه GB تهيمن عليها بشكل أساسي ، ويتم تقليل حجم الحبوب. ينتج عن هذا انخفاض في القوة وإجهاد التدفق ، أي "تأثير مضاد هول-بيتش". ومع ذلك ، فإن المقارنة الشاملة بين الإمكانات متعددة الأجسام والأزواج المستخدمة لنمذجة GBs في معادن fcc و bcc تكشف عن وجود اختلاف نوعي ضئيل في السلوك الذي تنبأت به أوصاف القوة المختلفة هذه ، مما يشير إلى أن تأثيرات الأجسام المتعددة قد لا تهيمن على سلوك GB.

بجود ، ج.دورينك وآخرون. استخدمت محاكاة الديناميكيات الجزيئية لدراسة التفاعل بين التوائم المشوهة وواجهات Cu / Ag ذات البنية النانوية ، وتحليل تأثيرات بنية الواجهة على تنوي التوائم وتوسيعها وتثخينها ، وشرح واجهة عدم التطابق. دور شبكة الخلع. يوضح الشكل 4 شبكة الخلع الجزئي لـ Shockley (مظللة بخطوط سوداء) ، والنمط الثلاثي (القسم الأبيض) ، وتوزيع خطأ التراص في الواجهة. من بينها ، يتم تلوين الذرة وفقًا لمعامل التناظر المركزي ، والذرة الزرقاء في بيئة FCC المثالية ، والذرة الحمراء في خطأ التراص أو خطأ التوأم.

الشكل 4 (أ) منظر علوي لذرات Cu و Ag على طول الواجهة: (ai) واجهة COC ، (a.ii) واجهة TO ، (ب) منظر جانبي على طول X = <011> الاتجاه: (bi) في COC في الواجهة والحالة ، تتناوب المنطقة المتماسكة مع منطقة خطأ التراص المتأصل (ب) ، (ب) واجهة TO ، ومنطقة العيب المزدوج موجودة باستمرار في طبقة النحاس وطبقة Ag.

يوضح الشكل 5 منحنى الإجهاد والانفعال والنسبة الذرية للتوائم كدالة للسلالة. من خلال التحليل ، وجدوا أن الواجهة يمكن أن تحفز بشكل مباشر أو غير مباشر خلع التوائم من خلال خلع Lomer ، وكيف تؤثر بنية الواجهة غير المتجانسة على الخطوات المختلفة لعملية التوأمة الميكانيكية ، وبالتالي تؤثر على تكوين التنتالوم في Cu / Ag ذات البنية النانوية. حجم الكريستال. توفر طريقة المقياس الذري هذه بعض الأسس النظرية المفيدة لعملية التوأمة الميكانيكية في المركبات النانوية.

الشكل 5 (أ) منحنى الإجهاد والانفعال ، (ب) النسبة الذرية للتوائم كدالة للسلالة

يعد تصميم مواد متعددة الطبقات لضبط الخصائص الميكانيكية موضوعًا ساخنًا أثناء التحكم في آلية التشوه لأن التوأمة تسمح بدمج الخواص الميكانيكية للطبقات النانوية والمواد النانوية. في هذا الصدد ، توفر هذه الدراسة المفتاح لفهم آلية تفاعل الواجهة المزدوجة وتدعم الرأي القائل بأن الواجهات غير المتجانسة تعزز التوأمة.

بالنسبة للمركبات ذات الطبقات فائقة الدقة التي تحتوي على معادن هيكلية منخفضة التناظر hcp، يمكن لعدد كبير من الواجهات غير المتجانسة أن تمتص بشكل فعال العيوب مثل الشواغر والذرات الخلالية الناجمة عن الإشعاع النووي، كما أن معادن hcp نفسها ذات كثافة منخفضة وقوة محددة وفي السنوات الأخيرة بدأت المواد السداسية متعددة الطبقات المكونة من Ti و Zr و Mg ومعادن أخرى في جذب انتباه الناس بسبب صلابتها العالية النوعية والتوصيل الكهربائي والحراري الجيد. ومع ذلك، بالمقارنة مع معادن FCC وBCC ذات التماثل العالي للهيكل البلوري، فإن معدن hcp لديه قدرة ضعيفة على تشوه البلاستيك في درجة حرارة الغرفة، مما يقيد استخدام المواد المركبة ذات الصلة.

بالإضافة إلى الاستبانة المكانية والزمانية للمقياس الذري ، يمكن لمحاكاة الديناميات الجزيئية أن تصف سلوك نموذج البلورات النانوية المثالي المتميز بالكامل ، مثل البنية البينية والقوة الدافعة والآلية الذرية ؛ من ناحية أخرى ، يمكن أن تكون في حدود ومواقف عالية التحبب. لوحظ سلوك تشوه البلاستيك الكبير عند الكثافة الخاطئة. على سبيل المثال ، آلية خلع النواة ، تبريد حدود الحبوب ، التوأمة الميكانيكية في النانوكريستالين Al ، تقليل حجم الحبيبات من الخلع إلى آلية التشوه المعتمدة على حدود الحبوب ، مراقبة شريط القص وعلاقة سطح الكسر.

بالإضافة إلى ذلك ، في التطبيق العملي وعملية البحث ، والنموذج النظري لأوصاف واختيارات مشكلة مختلفة ، طورت الديناميكيات الكثير من الفروع النظرية ، على سبيل المثال ، جيان هان ، سبنسر إل توماس من جامعة بنسلفانيا وآخرون يعتمدون على قوة الحدود يلخص وصف الانفصال مفهوم ديناميات حدود الحبوب للمواد متعددة الكريستالات ، Zheng Ma et al. درس حركية ترسيب FeCO3 ، وكذلك حركية السطح / السطح البيني.