{"id":1729,"date":"2019-05-22T02:47:44","date_gmt":"2019-05-22T02:47:44","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-tips-the-basic-principles-and-applications-of-molecular-dynamics\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:05","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:05","slug":"tips-the-basic-principles-and-applications-of-molecular-dynamics","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/tipps-zu-den-grundprinzipien-und-anwendungen-der-molekulardynamik\/","title":{"rendered":"Tipps: Die Grundprinzipien und Anwendungen der Molekulardynamik"},"content":{"rendered":"
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Damit das mikroskopische Simulationssystem die makroskopischen experimentellen Ph\u00e4nomene widerspiegelt, muss das simulierte Objektsystem regelm\u00e4\u00dfig durch periodische Randbedingungen repliziert werden, um Kanteneffekte zu vermeiden, die in der Praxis nicht existieren. Grunds\u00e4tzlich erfordert die theoretische Untersuchung eines beliebigen molekularen Systems die L\u00f6sung der zeitabh\u00e4ngigen Schr\u00f6dinger-Gleichung. In der Praxis wird jedoch der Flugbahn des Kerns mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Eine solche Flugbahn kann durch L\u00f6sen der klassischen mechanischen Bewegungsgleichung unter Verwendung der Born-Oppenheimer-N\u00e4herung erhalten werden. Alder und Wainwright haben gesagt, dass Computersimulationsexperimente eine wichtige Br\u00fccke zwischen makroskopischen experimentellen Ph\u00e4nomenen und mikroskopischer Natur werden. Nach 10 Jahren ihrer ersten Experimente zur Simulation der Molekulardynamik schlug der franz\u00f6sische Physiker Verlet einen Integrationsalgorithmus f\u00fcr 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].<\/div>\n
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 L\u00f6sung der Newtonschen Gleichung des atomaren Interaktionssystems einiger definierter interatomarer Interaktionspotentialfunktionen und schlie\u00dft die Nichtvereinfachung des Gitters ein. Harmonizit\u00e4t, H\u00f6henungleichm\u00e4\u00dfigkeit der inneren Spannung und vor\u00fcbergehende Reaktion des Systems.<\/div>\n
Die Molekulardynamik beruht haupts\u00e4chlich auf der Newtonschen Mechanik, um die Bewegung des molekularen Systems zu simulieren und Proben aus Systemen zu extrahieren, die aus verschiedenen Zust\u00e4nden des molekularen Systems bestehen, wodurch das Konfigurationsintegral des Systems berechnet und das System basierend auf den Ergebnissen der Konfiguration weiter berechnet wird Integral. Thermodynamische Gr\u00f6\u00dfen und andere makroskopische Eigenschaften. Es l\u00f6st die Bewegungsgleichung f\u00fcr ein Mehrk\u00f6rpersystem aus Kernen und Elektronen. Es ist eine Berechnungsmethode, die das Systemdynamikproblem einer gro\u00dfen Anzahl von Atomzusammensetzungen l\u00f6sen kann. Es kann nicht nur die makroskopischen Entwicklungseigenschaften einer Substanz direkt simulieren, sondern auch mit den Testergebnissen \u00fcbereinstimmen. \u00c4hnliche Berechnungen k\u00f6nnen auch ein klares Bild der Mikrostruktur, der Partikelbewegung und ihrer Beziehung zu makroskopischen Eigenschaften liefern und bieten eine leistungsstarke technische Unterst\u00fctzung f\u00fcr die Entwicklung neuer Theorien und Konzepte.<\/div>\n
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 f\u00fcr die Simulationsergebnisse. In den meisten F\u00e4llen vereinfacht die potentielle Energiefunktion die Beschreibung der geometrischen Verformung des Molek\u00fcls 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 Mehrk\u00f6rpereigenschaften der Elektronenbindung, insbesondere die Komplexit\u00e4t in Bezug auf ihre Struktur und Chemie in, nicht vollst\u00e4ndig aufdecken kann die N\u00e4he von M\u00e4ngeln. Selbstkonsistente Variationsfunktion. Die EAM-Potentialfunktion (Embedded-Atom-Modell) von Daw und Baskws kombiniert die Mehrk\u00f6rpereigenschaften der elektronischen Bindung in gewissem Ma\u00dfe.<\/div>\n
Die Zuverl\u00e4ssigkeit der Potentialfunktion h\u00e4ngt haupts\u00e4chlich von der Genauigkeit der Kraftfeldparameter ab, und die Kraftfeldparameter k\u00f6nnen 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 f\u00fcr die fr\u00fche Untersuchung biologischer Makromolek\u00fcle ist. Bestehende Kraftfeldparameter werden immer noch kontinuierlich optimiert und die Arten der abgedeckten Molek\u00fcle nehmen ebenfalls zu. Das grobk\u00f6rnige Modell gewinnt in der rechnergest\u00fctzten biophysikalischen Forschung zunehmend an Bedeutung, da in diesem Modell grobk\u00f6rnige Partikel definiert sind, die mehreren Atomen oder Atomgruppen oder sogar Molek\u00fclen 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 Ph\u00e4nomene oder biologischer Ph\u00e4nomene, die von gro\u00dfen Baugruppen abh\u00e4ngen.<\/div>\n
Das Grundprinzip beim Entwerfen eines grundlegenden Kraftfelds besteht darin, den Rechenaufwand in einem Zeitschritt zu minimieren, um den Simulationsma\u00dfstab zu maximieren. Dies ist besonders wichtig f\u00fcr das gesamte Atomkraftfeld, auch f\u00fcr das sogenannte grobk\u00f6rnige Modell. Dieses Prinzip ist insbesondere dann sehr wichtig, wenn Sie Zeitskalen von Mikrosekunden oder sogar Millisekunden simulieren m\u00f6chten.<\/div>\n
1 zeigt die umgekehrte Beziehung zwischen den zeitlichen und r\u00e4umlichen 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-Zeitma\u00dfstab untersucht werden kann; (3) Ribosomen, ein komplexes biologisches Ger\u00e4t, das genetische Informationen entschl\u00fcsseln 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.<\/div>\n
Abbildung 1 Skalenbeziehung zwischen Zeit und Raum der klassischen Molekulardynamik<\/div>\n

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Mit dem schnellen Wachstum von Computerprozessoren und der Entwicklung von massiv parallelen Computerarchitekturen, der Kombination von massiv parallelisierten oder propriet\u00e4ren Architekturtechniken mit skalierbaren molekulardynamischen Programmen reichen Computersimulationen von Versetzungen bis zu korngrenzenbasierten Verformungsmechanismen. Das gesamte Spektrum der Korngr\u00f6\u00dfen er\u00f6ffnet neue M\u00f6glichkeiten zur Erforschung der Forschungsgrenzen von Materialsystemen.<\/div>\n
Zum Beispiel haben William Gon\u00e7alves et al. verwendeten die Wolf BKS (van Beest, Kramer und van Santen) -Potentialfunktion, um die Wechselwirkung zwischen Atomen unter Verwendung des gro\u00dfr\u00e4umigen Atom \/ Molekular-Parallel-Simulators LAMMPS (Large-Scale Atomic \/ Molecular Massively Parallel) zu beschreiben. Simulator) untersuchte die Molekulardynamik der Elastizit\u00e4t 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.<\/div>\n
2 ist ein schematisches 3D-Diagramm einer simulierten gro\u00dfvolumigen Probe mit mehr als 7.000.000 Atomen und einem 20 nm dicken Probenabschnitt und einer teilweise vergr\u00f6\u00dferten 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 Gr\u00f6\u00dfe der simulierten Probe mindestens das 8-fache der Porengr\u00f6\u00dfe betr\u00e4gt, um eine ordnungsgem\u00e4\u00dfe Bewertung mechanischer Eigenschaften wie der Elastizit\u00e4t sicherzustellen, w\u00e4hrend das Silica-Aerogel mit einer positiven Oberfl\u00e4chenh\u00f6he eine relativ geringe Dehnungsrate erfordert, um quasi zu gew\u00e4hrleisten. statische Bedingungen.<\/div>\n
Abbildung 2 Simulierte Silica-Aerogelprobe (mehr als sieben Millionen Atome)<\/div>\n

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Fig. 3 Spannungs-Dehnungs-Kurve (a), Festigkeits-Volumen-Beziehung (e) und Bruchbild (bd) des einachsigen Zugversuchs<\/div>\n

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Im Allgemeinen betr\u00e4gt die kritische Korngr\u00f6\u00dfe dc etwa 20 bis 30 nm, und die gr\u00f6\u00dfere Verformung f\u00fcr die Korngr\u00f6\u00dfe (50 bis 100 nm) wird haupts\u00e4chlich durch Versetzungen bestimmt; Wenn die Korngr\u00f6\u00dfe weniger als 30 nm betr\u00e4gt, wird sie haupts\u00e4chlich vom GB-Verformungsprozess dominiert, und die Korngr\u00f6\u00dfe wird verringert. Dies f\u00fchrt zu einer Abnahme der Festigkeit und der Flie\u00dfspannung, dh zu einem "Anti-Hall-Petch-Effekt". Der umfassende Vergleich zwischen Mehrk\u00f6rper- 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 Mehrk\u00f6rpereffekte das GB-Verhalten m\u00f6glicherweise nicht dominieren.<\/div>\n
Bejaud, J. Durinck et al. verwendeten eine molekulardynamische Simulation, um die Wechselwirkung zwischen deformierten Zwillingen und nanostrukturierten Cu \/ Ag-Grenzfl\u00e4chen zu untersuchen, analysierten die Auswirkungen der Grenzfl\u00e4chenstruktur auf die Keimbildung, Expansion und Verdickung von Zwillingen und erkl\u00e4rten die Fehlpaarungsgrenzfl\u00e4che. Die Rolle des Versetzungsgitters. Abbildung 4 zeigt das Shockley-Teilversetzungsgitter (hervorgehoben durch schwarze Linien), das Dreiecksmuster (wei\u00dfer Abschnitt) und die Stapelfehlerverteilung an der Schnittstelle. Unter diesen ist das Atom gem\u00e4\u00df dem zentralen Symmetrieparameter gef\u00e4rbt, das blaue Atom befindet sich in der perfekten FCC-Umgebung und das rote Atom befindet sich im Stapelfehler oder im Twinning-Fehler.<\/div>\n
4 (a) Draufsicht auf Cu- und Ag-Atome entlang der Grenzfl\u00e4che: (ai) COC-Grenzfl\u00e4che, (a.ii) TO-Grenzfl\u00e4che, (b) Seitenansicht entlang der X = <011> -Richtung: (bi) in COC In der Grenzfl\u00e4che und der Fall, der koh\u00e4rente Bereich wechselt mit dem inh\u00e4renten Stapelfehlerbereich (ISF), (b.ii) der TO-Grenzfl\u00e4che, und der doppelte Defektbereich existiert kontinuierlich in der Cu-Schicht und der Ag-Schicht.<\/div>\n

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5 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurve und das Atomverh\u00e4ltnis von Zwillingen als Funktion der Dehnung. Durch Analyse fanden sie heraus, dass die Grenzfl\u00e4che direkt oder indirekt die Keimbildung von Zwillingsversetzungen durch Lomer-Versetzungen induzieren kann und wie die heterogene Grenzfl\u00e4chenstruktur die verschiedenen Schritte des mechanischen Zwillingsprozesses beeinflusst, wodurch die Bildung von Tantal im nanostrukturierten Cu \/ Ag beeinflusst wird. Die Gr\u00f6\u00dfe des Kristalls. Diese atomare Methode bietet einige n\u00fctzliche theoretische Grundlagen f\u00fcr den mechanischen Twinning-Prozess in nanoskaligen Verbundwerkstoffen.<\/div>\n
5 (a) Spannungs-Dehnungs-Kurve, (b) Atomverh\u00e4ltnis von Zwillingen als Funktion der Dehnung<\/div>\n

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Das Entwerfen von Mehrschichtmaterialien zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften ist ein hei\u00dfes Thema bei der Steuerung des Verformungsmechanismus, da durch Zwillingsbildung die mechanischen Eigenschaften von Nanoschichten und nanokristallinen Materialien ber\u00fccksichtigt werden k\u00f6nnen. In dieser Hinsicht liefert diese Studie den Schl\u00fcssel zum Verst\u00e4ndnis des Mechanismus der Interaktion mit zwei Schnittstellen und unterst\u00fctzt die Ansicht, dass heterophasische Schnittstellen Twinning f\u00f6rdern.<\/div>\n
Bei ultrafeinen Schichtverbundwerkstoffen, die hcp-Strukturmetalle mit niedriger Symmetrie enthalten, kann eine gro\u00dfe Anzahl von Hetero-Grenzfl\u00e4chen 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 Leitf\u00e4higkeit 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 Verformungsverm\u00f6gen bei Raumtemperatur auf, was die Verwendung verwandter Verbundwerkstoffe einschr\u00e4nkt.<\/div>\n
Zus\u00e4tzlich zur r\u00e4umlichen und zeitlichen Aufl\u00f6sung der atomaren Skala kann die molekulardynamische Simulation das Verhalten des vollst\u00e4ndig charakterisierten idealisierten Nanokristallmodells wie Grenzfl\u00e4chenstruktur, treibende Kraft und atomaren Mechanismus beschreiben. Andererseits kann es sich um sehr hohe Korngrenzen und -positionen handeln. Das gro\u00dfe plastische Verformungsverhalten wurde bei der falschen Dichte beobachtet. Zum Beispiel Versetzungskeimbildungsmechanismus, Korngrenzenl\u00f6schung, mechanische Zwillingsbildung in nanokristallinem Al, Verringerung der Korngr\u00f6\u00dfe von Versetzung zu Korngrenzen-basiertem Verformungsmechanismus, Beobachtung des Scherbandes und seiner Bruchfl\u00e4chenbeziehung.<\/div>\n
Dar\u00fcber hinaus hat die Dynamik im praktischen Anwendungs- und Forschungsprozess, dem theoretischen Modell f\u00fcr 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 Ausf\u00e4llungskinetik von FeCO3 sowie die Oberfl\u00e4chen- \/ Grenzfl\u00e4chenkinetik.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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In order for the microscopic simulation system to reflect the macroscopic experimental phenomena, it is necessary to periodically replicate the simulated object system through periodic boundary conditions to avoid edge effects that do not exist in practice. In principle, the theoretical study of any molecular system requires the solution of the time-dependent Schr\u00f6dinger equation. However,…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1729"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1729"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1729\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1729"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1729"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1729"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}