Damit das mikroskopische Simulationssystem die makroskopischen experimentellen Phänomene widerspiegelt, muss das simulierte Objektsystem regelmäßig durch periodische Randbedingungen repliziert werden, um Kanteneffekte zu vermeiden, die in der Praxis nicht existieren. Grundsätzlich erfordert die theoretische Untersuchung eines beliebigen molekularen Systems die Lösung der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung. In der Praxis wird jedoch der Flugbahn des Kerns mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Eine solche Flugbahn kann durch Lösen der klassischen mechanischen Bewegungsgleichung unter Verwendung der Born-Oppenheimer-Näherung erhalten werden. Alder und Wainwright haben gesagt, dass Computersimulationsexperimente eine wichtige Brücke zwischen makroskopischen experimentellen Phänomenen und mikroskopischer Natur werden. Nach 10 Jahren ihrer ersten Experimente zur Simulation der Molekulardynamik schlug der französische Physiker Verlet einen Integrationsalgorithmus für Newtons Bewegungsgleichungen vor. Gleichzeitig wird ein anderer Satz von Algorithmen zum Erzeugen und Aufzeichnen von Paaren benachbarter Atome vorgeschlagen, der die Berechnung der Wechselwirkung zwischen Atomen erheblich vereinfacht. Diese beiden Algorithmen sind in der Praxis in einigen Varianten noch weit verbreitet [1, 2].
In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Simulationsmethoden auf atomarer Ebene entwickelt, darunter Gitterstatik, Gitterdynamik, Monte Carlo und Molekulardynamik. Unter diesen eignet sich die Molekulardynamik besonders zur Untersuchung der plastischen Verformung. Es untersucht das Echtzeitverhalten des Verformungsprozesses durch die Lösung der Newtonschen Gleichung des atomaren Interaktionssystems einiger definierter interatomarer Interaktionspotentialfunktionen und schließt die Nichtvereinfachung des Gitters ein. Harmonizität, Höhenungleichmäßigkeit der inneren Spannung und vorübergehende Reaktion des Systems.
Die Molekulardynamik beruht hauptsächlich auf der Newtonschen Mechanik, um die Bewegung des molekularen Systems zu simulieren und Proben aus Systemen zu extrahieren, die aus verschiedenen Zuständen des molekularen Systems bestehen, wodurch das Konfigurationsintegral des Systems berechnet und das System basierend auf den Ergebnissen der Konfiguration weiter berechnet wird Integral. Thermodynamische Größen und andere makroskopische Eigenschaften. Es löst die Bewegungsgleichung für ein Mehrkörpersystem aus Kernen und Elektronen. Es ist eine Berechnungsmethode, die das Systemdynamikproblem einer großen Anzahl von Atomzusammensetzungen lösen kann. Es kann nicht nur die makroskopischen Entwicklungseigenschaften einer Substanz direkt simulieren, sondern auch mit den Testergebnissen übereinstimmen. Ähnliche Berechnungen können auch ein klares Bild der Mikrostruktur, der Partikelbewegung und ihrer Beziehung zu makroskopischen Eigenschaften liefern und bieten eine leistungsstarke technische Unterstützung für die Entwicklung neuer Theorien und Konzepte.
Das Objekt der Molekulardynamik ist ein Partikelsystem. Die Wechselwirkung zwischen Atomen im System wird durch die Potentialfunktion beschrieben. Daher spielt die richtige Auswahl des Typs der potenziellen Funktion und ihrer Parameter eine wichtige Rolle für die Simulationsergebnisse. In den meisten Fällen vereinfacht die potentielle Energiefunktion die Beschreibung der geometrischen Verformung des Moleküls insofern, als nur der einfache harmonische Term und die trigonometrische Funktion verwendet werden; Anstelle der Wechselwirkung zwischen den Bindungsatomen werden nur die Coulomb-Wechselwirkung und das Lennard-Jones-Potential verwendet. Kombiniert, um zu beschreiben. Unter diesen ist die Beschreibung der Wechselwirkungskraft zwischen Atomen normalerweise empirisch oder semi-empirisch, was die Recheneffizienz verbessern kann, aber die Mehrkörpereigenschaften der Elektronenbindung, insbesondere die Komplexität in Bezug auf ihre Struktur und Chemie in, nicht vollständig aufdecken kann die Nähe von Mängeln. Selbstkonsistente Variationsfunktion. Die EAM-Potentialfunktion (Embedded-Atom-Modell) von Daw und Baskws kombiniert die Mehrkörpereigenschaften der elektronischen Bindung in gewissem Maße.
Die Zuverlässigkeit der Potentialfunktion hängt hauptsächlich von der Genauigkeit der Kraftfeldparameter ab, und die Kraftfeldparameter können durch Anpassen experimenteller Beobachtungsdaten und quantenmechanischer Ab-initio-Daten erhalten werden. Derzeit ist das am weitesten verbreitete molekulare Kraftfeld bei der Simulation biologischer makromolekularer Systeme das CHARMM-Kraftfeld und das AMBER-Kraftfeld, das das molekulare Kraftfeld für die frühe Untersuchung biologischer Makromoleküle ist. Bestehende Kraftfeldparameter werden immer noch kontinuierlich optimiert und die Arten der abgedeckten Moleküle nehmen ebenfalls zu. Das grobkörnige Modell gewinnt in der rechnergestützten biophysikalischen Forschung zunehmend an Bedeutung, da in diesem Modell grobkörnige Partikel definiert sind, die mehreren Atomen oder Atomgruppen oder sogar Molekülen im Allatommodell entsprechen. Die Anzahl der Partikel im System wird reduziert, so dass die Zeit- und Raumskala der Simulation erheblich verbessert werden kann, aber auch die atomaren Details verloren gehen. Auf diesem Modell basierende molekulardynamische Simulationen eignen sich zur Untersuchung langsamer biologischer Phänomene oder biologischer Phänomene, die von großen Baugruppen abhängen.
Das Grundprinzip beim Entwerfen eines grundlegenden Kraftfelds besteht darin, den Rechenaufwand in einem Zeitschritt zu minimieren, um den Simulationsmaßstab zu maximieren. Dies ist besonders wichtig für das gesamte Atomkraftfeld, auch für das sogenannte grobkörnige Modell. Dieses Prinzip ist insbesondere dann sehr wichtig, wenn Sie Zeitskalen von Mikrosekunden oder sogar Millisekunden simulieren möchten.
1 zeigt die umgekehrte Beziehung zwischen den zeitlichen und räumlichen Dimensionen der Molekulardynamik von links nach rechts in der Figur: (1) Wasser, die Grundkomponenten der Zellen; (2) Rinder-Trypsin-Inhibitor, ein Enzym, dessen "Atmungsverhalten im Millisekunden-Zeitmaßstab untersucht werden kann; (3) Ribosomen, ein komplexes biologisches Gerät, das genetische Informationen entschlüsseln und Proteine produzieren kann; (4) lila bakterielle photosynthetische Membranfragmente; Mit 25 Millionen Atomen zeigt die Abbildung den Lichtsammelkomplex, der in die Phospholipid-Doppelschicht und das photochemische Reaktionszentrum eingebettet ist.
Abbildung 1 Skalenbeziehung zwischen Zeit und Raum der klassischen Molekulardynamik

Mit dem schnellen Wachstum von Computerprozessoren und der Entwicklung von massiv parallelen Computerarchitekturen, der Kombination von massiv parallelisierten oder proprietären Architekturtechniken mit skalierbaren molekulardynamischen Programmen reichen Computersimulationen von Versetzungen bis zu korngrenzenbasierten Verformungsmechanismen. Das gesamte Spektrum der Korngrößen eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung der Forschungsgrenzen von Materialsystemen.
Zum Beispiel haben William Gonçalves et al. verwendeten die Wolf BKS (van Beest, Kramer und van Santen) -Potentialfunktion, um die Wechselwirkung zwischen Atomen unter Verwendung des großräumigen Atom / Molekular-Parallel-Simulators LAMMPS (Large-Scale Atomic / Molecular Massively Parallel) zu beschreiben. Simulator) untersuchte die Molekulardynamik der Elastizität und Festigkeit von Silica-Aerogelen. Sie verwendeten den Velocity-Verlet-Algorithmus und den Zeitschritt von 1,0 fs und verwendeten periodische Randbedingungen in alle drei Richtungen.
2 ist ein schematisches 3D-Diagramm einer simulierten großvolumigen Probe mit mehr als 7.000.000 Atomen und einem 20 nm dicken Probenabschnitt und einer teilweise vergrößerten Ansicht (blau ist ein Sauerstoffatom, rot ist ein Siliziumatom) und 3 (a ) ist ein 803 nm 3 Aerogel. Die Probe wurde einem einachsigen Zugtest unterzogen, um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve von 300 K zu erhalten, (bd) ist ein typisches duktiles Bruchbild und (e) eine logarithmische Beziehung zwischen Zugfestigkeit und Probenvolumen. Sie analysierten, dass die Größe der simulierten Probe mindestens das 8-fache der Porengröße beträgt, um eine ordnungsgemäße Bewertung mechanischer Eigenschaften wie der Elastizität sicherzustellen, während das Silica-Aerogel mit einer positiven Oberflächenhöhe eine relativ geringe Dehnungsrate erfordert, um quasi zu gewährleisten. statische Bedingungen.
Abbildung 2 Simulierte Silica-Aerogelprobe (mehr als sieben Millionen Atome)

Fig. 3 Spannungs-Dehnungs-Kurve (a), Festigkeits-Volumen-Beziehung (e) und Bruchbild (bd) des einachsigen Zugversuchs

Im Allgemeinen beträgt die kritische Korngröße dc etwa 20 bis 30 nm, und die größere Verformung für die Korngröße (50 bis 100 nm) wird hauptsächlich durch Versetzungen bestimmt; Wenn die Korngröße weniger als 30 nm beträgt, wird sie hauptsächlich vom GB-Verformungsprozess dominiert, und die Korngröße wird verringert. Dies führt zu einer Abnahme der Festigkeit und der Fließspannung, dh zu einem "Anti-Hall-Petch-Effekt". Der umfassende Vergleich zwischen Mehrkörper- und Paarpotentialen, die zur Modellierung von GBs in fcc- und bcc-Metallen verwendet werden, zeigt jedoch, dass es nur geringe qualitative Unterschiede im Verhalten gibt, das durch diese unterschiedlichen Kraftbeschreibungen vorhergesagt wird, was darauf hindeutet, dass Mehrkörpereffekte das GB-Verhalten möglicherweise nicht dominieren.
Bejaud, J. Durinck et al. verwendeten eine molekulardynamische Simulation, um die Wechselwirkung zwischen deformierten Zwillingen und nanostrukturierten Cu / Ag-Grenzflächen zu untersuchen, analysierten die Auswirkungen der Grenzflächenstruktur auf die Keimbildung, Expansion und Verdickung von Zwillingen und erklärten die Fehlpaarungsgrenzfläche. Die Rolle des Versetzungsgitters. Abbildung 4 zeigt das Shockley-Teilversetzungsgitter (hervorgehoben durch schwarze Linien), das Dreiecksmuster (weißer Abschnitt) und die Stapelfehlerverteilung an der Schnittstelle. Unter diesen ist das Atom gemäß dem zentralen Symmetrieparameter gefärbt, das blaue Atom befindet sich in der perfekten FCC-Umgebung und das rote Atom befindet sich im Stapelfehler oder im Twinning-Fehler.
4 (a) Draufsicht auf Cu- und Ag-Atome entlang der Grenzfläche: (ai) COC-Grenzfläche, (a.ii) TO-Grenzfläche, (b) Seitenansicht entlang der X = <011> -Richtung: (bi) in COC In der Grenzfläche und der Fall, der kohärente Bereich wechselt mit dem inhärenten Stapelfehlerbereich (ISF), (b.ii) der TO-Grenzfläche, und der doppelte Defektbereich existiert kontinuierlich in der Cu-Schicht und der Ag-Schicht.

5 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurve und das Atomverhältnis von Zwillingen als Funktion der Dehnung. Durch Analyse fanden sie heraus, dass die Grenzfläche direkt oder indirekt die Keimbildung von Zwillingsversetzungen durch Lomer-Versetzungen induzieren kann und wie die heterogene Grenzflächenstruktur die verschiedenen Schritte des mechanischen Zwillingsprozesses beeinflusst, wodurch die Bildung von Tantal im nanostrukturierten Cu / Ag beeinflusst wird. Die Größe des Kristalls. Diese atomare Methode bietet einige nützliche theoretische Grundlagen für den mechanischen Twinning-Prozess in nanoskaligen Verbundwerkstoffen.
5 (a) Spannungs-Dehnungs-Kurve, (b) Atomverhältnis von Zwillingen als Funktion der Dehnung

Das Entwerfen von Mehrschichtmaterialien zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften ist ein heißes Thema bei der Steuerung des Verformungsmechanismus, da durch Zwillingsbildung die mechanischen Eigenschaften von Nanoschichten und nanokristallinen Materialien berücksichtigt werden können. In dieser Hinsicht liefert diese Studie den Schlüssel zum Verständnis des Mechanismus der Interaktion mit zwei Schnittstellen und unterstützt die Ansicht, dass heterophasische Schnittstellen Twinning fördern.
Bei ultrafeinen Schichtverbundwerkstoffen, die hcp-Strukturmetalle mit niedriger Symmetrie enthalten, kann eine große Anzahl von Hetero-Grenzflächen Defekte wie Leerstellen und interstitielle Atome, die durch Kernbestrahlung verursacht werden, effektiv absorbieren, und hcp-Metalle selbst haben eine geringe Dichte, spezifische Festigkeit und in den letzten Jahren Hexagonale Mehrschichtmaterialien aus Ti, Zr, Mg und anderen Metallen haben aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit begonnen, die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zu ziehen. Im Vergleich zu fcc- und bcc-Metallen mit hoher Kristallstruktursymmetrie weist hcp-Metall jedoch ein schlechtes plastisches Verformungsvermögen bei Raumtemperatur auf, was die Verwendung verwandter Verbundwerkstoffe einschränkt.
Zusätzlich zur räumlichen und zeitlichen Auflösung der atomaren Skala kann die molekulardynamische Simulation das Verhalten des vollständig charakterisierten idealisierten Nanokristallmodells wie Grenzflächenstruktur, treibende Kraft und atomaren Mechanismus beschreiben. Andererseits kann es sich um sehr hohe Korngrenzen und -positionen handeln. Das große plastische Verformungsverhalten wurde bei der falschen Dichte beobachtet. Zum Beispiel Versetzungskeimbildungsmechanismus, Korngrenzenlöschung, mechanische Zwillingsbildung in nanokristallinem Al, Verringerung der Korngröße von Versetzung zu Korngrenzen-basiertem Verformungsmechanismus, Beobachtung des Scherbandes und seiner Bruchflächenbeziehung.
Darüber hinaus hat die Dynamik im praktischen Anwendungs- und Forschungsprozess, dem theoretischen Modell für verschiedene Problembeschreibungen und -auswahlen, viele theoretische Zweige entwickelt, auf die sich beispielsweise Jian Han, Spencer L. Thomas von der University of Pennsylvania und andere verlassen die Kraft der Grenze Die Beschreibung der Trennung fasst das Konzept der Korngrenzendynamik polykristalliner Materialien zusammen, Zheng Ma et al. untersuchten die Ausfällungskinetik von FeCO3 sowie die Oberflächen- / Grenzflächenkinetik.

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