Pour que le système de simulation microscopique reflète les phénomènes expérimentaux macroscopiques, il est nécessaire de répliquer périodiquement le système d'objets simulés à travers des conditions aux limites périodiques pour éviter les effets de bord qui n'existent pas dans la pratique. En principe, l'étude théorique de tout système moléculaire nécessite la solution de l'équation de Schrödinger dépendante du temps. Cependant, dans la pratique, une plus grande attention est accordée à la trajectoire du noyau. Une telle trajectoire peut être obtenue en résolvant l'équation mécanique classique du mouvement en utilisant l'approximation de Born-Oppenheimer. Alder et Wainwright ont déclaré que les expériences de simulation informatique deviendront un pont important reliant les phénomènes expérimentaux macroscopiques et la nature microscopique. Après 10 ans de leurs premières expériences de simulation de dynamique moléculaire, le physicien français Verlet a proposé un algorithme d'intégration pour les équations de mouvement de Newton. Dans le même temps, un autre ensemble d'algorithmes pour générer et enregistrer des paires d'atomes voisins est proposé, ce qui simplifie considérablement le calcul de l'interaction entre les atomes. Ces deux algorithmes sont encore largement utilisés en pratique dans certaines variantes [1, 2].
Une variété de méthodes de simulation au niveau atomique ont été développées au cours des dernières décennies, y compris la statique du réseau, la dynamique du réseau, Monte Carlo et la dynamique moléculaire. Parmi eux, la dynamique moléculaire est particulièrement adaptée à l'étude de la déformation plastique. Il étudie le comportement en temps réel du processus de déformation grâce à la solution de l'équation de Newton du système d'interaction atomique de certaines fonctions potentielles d'interaction interatomiques définies, et comprend la non-simplification du réseau. Harmonicité, inégalité de hauteur des contraintes internes et réponse transitoire du système.
La dynamique moléculaire s'appuie principalement sur la mécanique newtonienne pour simuler le mouvement du système moléculaire pour extraire des échantillons de systèmes composés de différents états du système moléculaire, calculant ainsi l'intégrale de configuration du système et calculant davantage le système en fonction des résultats de la configuration intégral. Grandeurs thermodynamiques et autres propriétés macroscopiques. Il résout l'équation du mouvement pour un système multicorps composé de noyaux et d'électrons. Il s'agit d'une méthode de calcul qui peut résoudre le problème de dynamique des systèmes d'un grand nombre de compositions atomiques. Il peut non seulement simuler directement les caractéristiques d'évolution macroscopique d'une substance, mais également être en accord avec les résultats des tests. Des calculs similaires peuvent également fournir une image claire de la microstructure, du mouvement des particules et de leur relation avec les propriétés macroscopiques, fournissant un support technique puissant pour le développement de nouvelles théories et concepts.
L'objet de la dynamique moléculaire est un système de particules. L'interaction entre les atomes dans le système est décrite par la fonction potentielle. Par conséquent, la sélection correcte du type de fonction potentielle et de ses paramètres joue un rôle important dans les résultats de la simulation. Dans la plupart des cas, la fonction d'énergie potentielle simplifie la description de la déformation géométrique de la molécule dans la mesure où seuls le terme harmonique simple et la fonction trigonométrique sont utilisés; au lieu de l'interaction entre les atomes de liaison, seules l'interaction de Coulomb et le potentiel de Lennard-Jones sont utilisés. Combiné pour décrire. Parmi eux, la description de la force d'interaction entre les atomes est généralement empirique ou semi-empirique, ce qui peut améliorer l'efficacité de calcul, mais ne peut pas révéler pleinement les propriétés multi-corps de la liaison électronique, en particulier les complexités liées à sa structure et à sa chimie dans la proximité de défauts. Fonction variationnelle auto-cohérente. La fonction potentielle EAM (Embedded-atom model) de Daw et Baskws combine dans une certaine mesure les propriétés multi-corps de la liaison électronique.
La fiabilité de la fonction potentielle dépend principalement de la précision des paramètres du champ de force, et les paramètres du champ de force peuvent être obtenus en ajustant les données d'observation expérimentales et les données ab initio de la mécanique quantique. À l'heure actuelle, le champ de force moléculaire le plus largement utilisé dans la simulation de systèmes macromoléculaires biologiques est le champ de force CHARMM et le champ de force AMBER, qui est le champ de force moléculaire pour l'étude précoce des macromolécules biologiques. Les paramètres de champ de force existants sont toujours optimisés en permanence et les types de molécules couvertes sont également en expansion. Le modèle à grains grossiers gagne de plus en plus d'attention dans la recherche biophysique computationnelle, car des particules granuleuses grossières sont définies dans ce modèle, correspondant à plusieurs atomes ou groupes atomiques ou même des molécules dans le modèle tout-atome. Le nombre de particules dans le système est réduit, de sorte que l'échelle de temps et d'espace de la simulation peut être considérablement améliorée, mais les détails atomiques seront également perdus. Les simulations de dynamique moléculaire basées sur ce modèle conviennent pour étudier des phénomènes biologiques lents ou des phénomènes biologiques qui dépendent de grands assemblages.
Le principe fondamental de la conception d'un champ de force de base est de minimiser la surcharge d'énergie de calcul dans un pas de temps pour maximiser l'échelle de simulation. Ceci est particulièrement important pour le champ de force atomique complet, même pour le modèle dit à gros grains. En particulier, ce principe est extrêmement important si vous souhaitez simuler des échelles de temps en microsecondes, voire en millisecondes.
La figure 1 montre la relation inverse entre les dimensions spatio-temporelles de la dynamique moléculaire, de gauche à droite sur la figure: (1) l'eau, les composants de base des cellules; (2) un inhibiteur de la trypsine bovine, une enzyme dont «le comportement respiratoire peut être examiné à l'échelle d'une milliseconde; (3) les ribosomes, un dispositif biologique complexe qui peut décoder l'information génétique et produire des protéines; (4) des fragments de membrane photosynthétique bactérienne violette, avec 25 millions d'atomes, la figure montre le complexe de collecte de lumière intégré dans la bicouche phospholipidique et le centre de réaction photochimique.
Figure 1 Relation d'échelle entre le temps et l'espace de la dynamique moléculaire classique

Avec la croissance rapide des processeurs informatiques et le développement d'architectures informatiques massivement parallèles, la combinaison de techniques d'architecture massivement parallélisées ou propriétaires avec des programmes de dynamique moléculaire évolutifs, les simulations informatiques vont des dislocations aux mécanismes de déformation basés sur les limites des grains. La gamme complète des tailles de grains ouvre de nouvelles voies pour explorer les frontières de recherche des systèmes de matériaux.
Par exemple, William Gonçalves et al. a utilisé la fonction potentielle Wolf BKS (van Beest, Kramer et van Santen) pour décrire l'interaction entre les atomes, en utilisant le simulateur parallèle atomique / moléculaire à grande échelle LAMMPS (à grande échelle atomique / moléculaire massivement parallèle). Simulator) a étudié la dynamique moléculaire de l'élasticité et de la résistance des aérogels de silice. Ils ont utilisé l'algorithme de vitesse-Verlet et un pas de temps de 1,0 fs, et ont utilisé des conditions aux limites périodiques dans les trois directions.
La figure 2 est un diagramme schématique 3D d'un échantillon de grand volume simulé de plus de 7 000 000 d'atomes, et une section d'échantillon de 20 nm d'épaisseur et une vue agrandie partielle (le bleu est un atome d'oxygène, le rouge est un atome de silicium), et la figure 3 (un ) est un aérogel de 803 nm 3. L'échantillon a été soumis à un essai de traction uniaxiale pour obtenir une courbe contrainte-déformation de 300 K, (bd) est une image de rupture ductile typique, et (e) une relation logarithmique entre la résistance à la traction et le volume de l'échantillon. Ils ont analysé qu'afin d'assurer une évaluation correcte des propriétés mécaniques telles que l'élasticité, la taille de l'échantillon simulé est au moins 8 fois la taille des pores, tandis que l'aérogel de silice avec une hauteur de surface positive nécessite un taux de déformation relativement faible pour conditions statiques.
Figure 2 Échantillon simulé d'aérogel de silice (plus de sept millions d'atomes)

Fig.3 Courbe contrainte-déformation (a), relation résistance-volume (e) et image de rupture (bd) de l'essai de traction uniaxiale

En général, la taille critique des grains dc est d'environ 20 à 30 nm, et la plus grande déformation pour la taille des grains (50 à 100 nm) est principalement déterminée par des dislocations; lorsque la taille des grains est inférieure à 30 nm, elle est principalement dominée par le processus de déformation GB, et la taille des grains est réduite. Il en résulte une diminution de la résistance et de la contrainte d'écoulement, c'est-à-dire un "effet anti-Hall-Petch". Cependant, la comparaison approfondie entre les potentiels à corps multiples et les paires utilisées pour modéliser les GB dans les métaux fcc et bcc révèle qu'il y a peu de différence qualitative dans le comportement prévu par ces différentes descriptions de forces, ce qui suggère que les effets à corps multiples peuvent ne pas dominer le comportement des GB.
Bejaud, J. Durinck et al. utilisé la simulation de la dynamique moléculaire pour étudier l'interaction entre les jumeaux déformés et les interfaces Cu / Ag nanostructurées, et analysé les effets de la structure de l'interface sur la nucléation, l'expansion et l'épaississement des jumeaux, et expliqué l'interface de mésappariement. Le rôle de la grille de dislocation. La figure 4 montre la grille de dislocation partielle de Shockley (mise en évidence par des lignes noires), le motif triangulaire (section blanche) et la distribution des défauts d'empilement à l'interface. Parmi eux, l'atome est coloré selon le paramètre de symétrie central, l'atome bleu est dans l'environnement FCC parfait et l'atome rouge est dans la faille d'empilement ou la faille de jumelage.
Figure 4 (a) Vue de dessus des atomes de Cu et Ag le long de l'interface: (ai) interface COC, (a.ii) interface TO, (b) vue latérale selon X = <011> direction: (bi) en COC dans le l'interface et le cas, la région cohérente alterne avec la région de défaut d'empilement inhérent (ISF), (b.ii) l'interface TO, et la région de double défaut existe en continu dans la couche Cu et la couche Ag.

La figure 5 montre la courbe contrainte-déformation et le rapport atomique des jumeaux en fonction de la déformation. Grâce à l'analyse, ils ont constaté que l'interface peut induire directement ou indirectement la nucléation des dislocations jumelles par les dislocations de Lomer, et comment la structure d'interface hétérogène affecte les différentes étapes du processus de jumelage mécanique, affectant ainsi la formation de tantale dans le Cu / Ag nanostructuré. La taille du cristal. Cette méthode à l'échelle atomique fournit une base théorique utile pour le processus de jumelage mécanique dans les composites nanométriques.
Figure 5 (a) courbe contrainte-déformation, (b) rapport atomique des jumeaux en fonction de la déformation

Concevoir des matériaux multicouches pour ajuster les propriétés mécaniques est un sujet brûlant tout en contrôlant le mécanisme de déformation car le jumelage permet l'incorporation des propriétés mécaniques des nanocouches et des matériaux nanocristallins. À cet égard, cette étude fournit la clé pour comprendre le mécanisme de l'interaction à double interface et soutient l'idée que les interfaces hétérophasiques favorisent le jumelage.
Pour les composites en couches à échelle ultra-fine contenant des métaux de structure hcp de faible symétrie, un grand nombre d'hétéro-interfaces peuvent absorber efficacement les défauts tels que les lacunes et les atomes interstitiels causés par l'irradiation nucléaire, et les métaux hcp eux-mêmes ont une densité, une résistance spécifique , les matériaux multicouches hexagonaux composés de Ti, Zr, Mg et d'autres métaux ont commencé à attirer l'attention des gens en raison de leur rigidité spécifique élevée et de leur bonne conductivité électrique et thermique. Cependant, par rapport aux métaux fcc et bcc avec une symétrie de structure cristalline élevée, le métal hcp a une faible capacité de déformation plastique à température ambiante, ce qui restreint l'utilisation de matériaux composites apparentés.
En plus de la résolution spatiale et temporelle de l'échelle atomique, la simulation de la dynamique moléculaire peut décrire le comportement du modèle nanocristallin idéalisé entièrement caractérisé, comme la structure interfaciale, la force motrice et le mécanisme atomique; d'autre part, il peut se trouver à des limites et des positions de grains très élevées. Le grand comportement de déformation plastique a été observé à la mauvaise densité. Par exemple, le mécanisme de nucléation de la dislocation, la trempe aux limites des grains, le jumelage mécanique dans l'Al nanocristallin, la réduction de la taille des grains de la dislocation au mécanisme de déformation basé sur les limites des grains, l'observation de la bande de cisaillement et sa relation de surface de rupture.
De plus, dans le processus d'application pratique et de recherche, le modèle théorique pour différentes descriptions et sélections de problèmes, la dynamique a développé de nombreuses branches théoriques, par exemple, Jian Han, Spencer L. Thomas de l'Université de Pennsylvanie et d'autres s'appuient sur la puissance de la frontière La description de la déconnexion résume le concept de la dynamique des limites des grains des matériaux polycristallins, Zheng Ma et al. ont étudié la cinétique de précipitation de FeCO3, ainsi que la cinétique surface / interface.

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