सूक्ष्म सिमुलेशन प्रणाली के लिए मैक्रोस्कोपिक प्रयोगात्मक घटना को प्रतिबिंबित करने के लिए, समय-समय पर सीमावर्ती स्थितियों के माध्यम से नकली वस्तु प्रणाली को दोहराना आवश्यक है ताकि किनारे के प्रभावों से बचा जा सके जो व्यवहार में मौजूद नहीं हैं। सिद्धांत रूप में, किसी भी आणविक प्रणाली के सैद्धांतिक अध्ययन के लिए समय-निर्भर श्रोडिंगर समीकरण के समाधान की आवश्यकता होती है। हालांकि, व्यवहार में, नाभिक के प्रक्षेपवक्र पर अधिक ध्यान दिया जाता है। बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन का उपयोग करके गति के शास्त्रीय यांत्रिक समीकरण को हल करके ऐसा प्रक्षेपवक्र प्राप्त किया जा सकता है। एल्डर और वेनराइट ने कहा है कि कंप्यूटर सिमुलेशन प्रयोग मैक्रोस्कोपिक प्रयोगात्मक घटना और सूक्ष्म प्रकृति को जोड़ने वाला एक महत्वपूर्ण पुल बन जाएगा। अपने पहले आणविक गतिकी सिमुलेशन प्रयोगों के 10 वर्षों के बाद, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी वेरलेट ने न्यूटन के गति के समीकरणों के लिए एक एकीकरण एल्गोरिथ्म का प्रस्ताव रखा। उसी समय, पड़ोसी परमाणुओं के जोड़े बनाने और रिकॉर्ड करने के लिए एल्गोरिदम का एक और सेट प्रस्तावित है, जो परमाणुओं के बीच बातचीत की गणना को बहुत सरल करता है। ये दो एल्गोरिदम अभी भी व्यापक रूप से कुछ रूपों [1, 2] में व्यवहार में उपयोग किए जाते हैं।
पिछले कुछ दशकों में विभिन्न प्रकार के परमाणु-स्तर सिमुलेशन विधियों को विकसित किया गया है, जिसमें जाली स्थैतिक, जाली गतिशीलता, मोंटे कार्लो और आणविक गतिशीलता शामिल हैं। उनमें से, आणविक गतिशीलता प्लास्टिक विरूपण के अध्ययन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। यह कुछ परिभाषित अंतःपरमाणु संपर्क संभावित कार्यों के परमाणु अंतःक्रिया प्रणाली के न्यूटन के समीकरण के समाधान के माध्यम से विरूपण प्रक्रिया के वास्तविक समय के व्यवहार का अध्ययन करता है, और इसमें जाली का गैर-सरलीकरण शामिल है। सामंजस्य, आंतरिक तनाव की ऊंचाई असमानता, और प्रणाली की क्षणिक प्रतिक्रिया।
आणविक गतिकी मुख्य रूप से न्यूटोनियन यांत्रिकी पर निर्भर करती है ताकि आणविक प्रणाली के विभिन्न राज्यों से बने सिस्टम से नमूने निकालने के लिए आणविक प्रणाली की गति का अनुकरण किया जा सके, जिससे सिस्टम के कॉन्फ़िगरेशन इंटीग्रल की गणना की जा सके, और कॉन्फ़िगरेशन के परिणामों के आधार पर सिस्टम की गणना की जा सके। अभिन्न। थर्मोडायनामिक मात्रा और अन्य मैक्रोस्कोपिक गुण। यह नाभिक और इलेक्ट्रॉनों से बनी एक बहु-शरीर प्रणाली के लिए गति के समीकरण को हल करता है। यह एक कम्प्यूटेशनल विधि है जो बड़ी संख्या में परमाणु रचनाओं की प्रणाली की गतिशीलता समस्या को हल कर सकती है। यह न केवल किसी पदार्थ की मैक्रोस्कोपिक विकास विशेषताओं को सीधे अनुकरण कर सकता है, बल्कि परीक्षण के परिणामों से भी सहमत हो सकता है। इसी तरह की गणना भी सूक्ष्म संरचना, कण गति, और मैक्रोस्कोपिक गुणों के साथ उनके संबंधों की एक स्पष्ट छवि प्रदान कर सकती है, नए सिद्धांतों और अवधारणाओं के विकास के लिए शक्तिशाली तकनीकी सहायता प्रदान करती है।
आणविक गतिकी का उद्देश्य एक कण प्रणाली है। सिस्टम में परमाणुओं के बीच की बातचीत को संभावित फ़ंक्शन द्वारा वर्णित किया गया है। इसलिए, संभावित फ़ंक्शन के प्रकार और उसके मापदंडों का सही चयन सिमुलेशन परिणामों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। ज्यादातर मामलों में, संभावित ऊर्जा फ़ंक्शन अणु के ज्यामितीय विरूपण के विवरण को इस हद तक सरल करता है कि केवल साधारण हार्मोनिक शब्द और त्रिकोणमितीय फ़ंक्शन का उपयोग किया जाता है; बंधन परमाणुओं के बीच बातचीत के बजाय, केवल कूलम्ब अंतःक्रिया और लेनार्ड-जोन्स क्षमता का उपयोग किया जाता है। वर्णन करने के लिए संयुक्त। उनमें से, परमाणुओं के बीच परस्पर क्रिया बल का वर्णन आमतौर पर अनुभवजन्य या अर्ध-अनुभवजन्य होता है, जो कम्प्यूटेशनल दक्षता में सुधार कर सकता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन बंधन के बहु-शरीर गुणों को पूरी तरह से प्रकट नहीं कर सकता है, विशेष रूप से इसकी संरचना और रसायन विज्ञान से संबंधित जटिलताओं को पूरी तरह से प्रकट नहीं कर सकता है। दोषों के आसपास। स्व-सुसंगत परिवर्तनशील कार्य। ईएएम (एम्बेडेड-एटम मॉडल) डॉव और बास्क का संभावित कार्य कुछ हद तक इलेक्ट्रॉनिक बॉन्डिंग के मल्टी-बॉडी गुणों को जोड़ता है।
संभावित फ़ंक्शन की विश्वसनीयता मुख्य रूप से बल क्षेत्र मापदंडों की सटीकता पर निर्भर करती है, और बल क्षेत्र मापदंडों को प्रयोगात्मक अवलोकन डेटा और क्वांटम मैकेनिकल एबी इनिटियो डेटा को फिट करके प्राप्त किया जा सकता है। वर्तमान में, जैविक मैक्रोमोलेक्यूलर सिस्टम के अनुकरण में सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला आणविक बल क्षेत्र CHARMM बल क्षेत्र और AMBER बल क्षेत्र है, जो जैविक मैक्रोमोलेक्यूल्स के प्रारंभिक अध्ययन के लिए आणविक बल क्षेत्र है। मौजूदा बल क्षेत्र मापदंडों को अभी भी लगातार अनुकूलित किया जा रहा है और कवर किए गए अणुओं के प्रकार भी विस्तारित हो रहे हैं। मोटे अनाज वाले मॉडल कम्प्यूटेशनल बायोफिजिकल रिसर्च में अधिक से अधिक ध्यान आकर्षित कर रहे हैं, क्योंकि इस मॉडल में मोटे दानेदार कणों को परिभाषित किया गया है, जो कई परमाणुओं या परमाणु समूहों या यहां तक कि सभी-परमाणु मॉडल में अणुओं के अनुरूप हैं। सिस्टम में कणों की संख्या कम हो जाती है, जिससे सिमुलेशन के समय और स्थान के पैमाने में काफी सुधार हो सकता है, लेकिन परमाणु विवरण भी खो जाएगा। इस मॉडल पर आधारित आणविक गतिशीलता सिमुलेशन धीमी जैविक घटनाओं या जैविक घटनाओं का अध्ययन करने के लिए उपयुक्त हैं जो बड़ी विधानसभाओं पर निर्भर करते हैं।
एक बुनियादी बल क्षेत्र को डिजाइन करने का मूल सिद्धांत सिमुलेशन पैमाने को अधिकतम करने के लिए एक समय चरण में कम्प्यूटेशनल ऊर्जा ओवरहेड को कम करना है। यह तथाकथित मोटे अनाज वाले मॉडल के लिए भी पूर्ण परमाणु बल क्षेत्र के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। विशेष रूप से, यह सिद्धांत अत्यंत महत्वपूर्ण है यदि आप माइक्रोसेकंड या मिलीसेकंड समय के पैमाने का अनुकरण करना चाहते हैं।
चित्रा 1 आणविक गतिशीलता के समय और स्थान आयामों के बीच व्युत्क्रम संबंध दिखाता है, आकृति में बाएं से दाएं: (1) पानी, कोशिकाओं के मूल घटक; (2) गोजातीय ट्रिप्सिन अवरोधक, एक एंजाइम, जो " सांस लेने के व्यवहार की जांच मिलीसेकंड समय के पैमाने पर की जा सकती है; (3) राइबोसोम, एक जटिल जैविक उपकरण जो आनुवंशिक जानकारी को डिकोड कर सकता है और प्रोटीन का उत्पादन कर सकता है; (4) बैंगनी जीवाणु प्रकाश संश्लेषक झिल्ली टुकड़े, 25 मिलियन परमाणुओं के साथ, यह आंकड़ा फॉस्फोलिपिड बाइलेयर और फोटोकैमिकल रिएक्शन सेंटर में एम्बेडेड प्रकाश-संचयन परिसर को दर्शाता है।
चित्र 1 शास्त्रीय आणविक गतिकी के समय और स्थान के बीच स्केल संबंध

सुझाव: आणविक गतिकी के मूल सिद्धांत और अनुप्रयोग 1

कंप्यूटर प्रोसेसर के तेजी से विकास और बड़े पैमाने पर समानांतर कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर के विकास के साथ, स्केलेबल आणविक गतिशीलता कार्यक्रमों के साथ बड़े पैमाने पर समानांतर या मालिकाना वास्तुकला तकनीकों का संयोजन, कंप्यूटर सिमुलेशन अव्यवस्था से लेकर अनाज सीमा-आधारित विरूपण तंत्र तक होता है। अनाज के आकार की पूरी श्रृंखला सामग्री प्रणालियों के अनुसंधान सीमाओं की खोज के लिए नए रास्ते खोलती है।
उदाहरण के लिए, विलियम गोंसाल्वेस एट अल। बड़े पैमाने पर परमाणु/आणविक समानांतर सिम्युलेटर LAMMPS (बड़े पैमाने पर परमाणु/आणविक बड़े पैमाने पर समानांतर) का उपयोग करते हुए, परमाणुओं के बीच बातचीत का वर्णन करने के लिए वुल्फ बीकेएस (वैन बीस्ट, क्रेमर और वैन सैंटन) संभावित फ़ंक्शन का उपयोग किया। सिम्युलेटर) ने सिलिका एरोजेल की लोच और ताकत की आणविक गतिशीलता का अध्ययन किया। उन्होंने वेग-वेरलेट एल्गोरिथम और 1.0 एफएस टाइम स्टेप का इस्तेमाल किया, और तीनों दिशाओं में आवधिक सीमा स्थितियों का इस्तेमाल किया।
चित्र 2 7,00,000 से अधिक परमाणुओं के सिम्युलेटेड बड़ी मात्रा के नमूने का एक 3डी योजनाबद्ध आरेख है, और एक 20 एनएम मोटा नमूना खंड और एक आंशिक बढ़े हुए दृश्य (नीला एक ऑक्सीजन परमाणु है, लाल एक सिलिकॉन परमाणु है), और चित्र 3 (ए ) एक 803 एनएम 3 एरोजेल है। नमूना को 300 K का तनाव-तनाव वक्र प्राप्त करने के लिए एक अक्षीय तन्यता परीक्षण के अधीन किया गया था, (bd) एक विशिष्ट नमनीय फ्रैक्चर छवि है, और (e) तन्य शक्ति और नमूना मात्रा के बीच एक लघुगणक संबंध है। उन्होंने विश्लेषण किया कि लोच जैसे यांत्रिक गुणों का उचित मूल्यांकन सुनिश्चित करने के लिए, नकली नमूने का आकार ताकना आकार का कम से कम 8 गुना है, जबकि सकारात्मक सतह ऊंचाई वाले सिलिका एयरजेल को अर्ध सुनिश्चित करने के लिए अपेक्षाकृत कम तनाव दर की आवश्यकता होती है। स्थिर स्थितियां।
चित्र 2 नकली सिलिका एयरजेल नमूना (सात मिलियन से अधिक परमाणु)

सुझाव: आणविक गतिकी के मूल सिद्धांत और अनुप्रयोग 2

अंजीर। 3 तनाव-तनाव वक्र (ए), शक्ति-मात्रा संबंध (ई) और एक अक्षीय तन्यता परीक्षण की फ्रैक्चर छवि (बीडी)

सुझाव: आणविक गतिकी के मूल सिद्धांत और अनुप्रयोग 3

आम तौर पर, महत्वपूर्ण अनाज आकार डीसी लगभग 20-30 एनएम है, और अनाज के आकार (50-100 एनएम) के लिए बड़ा विरूपण मुख्य रूप से अव्यवस्थाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है; जब अनाज का आकार 30 एनएम से कम होता है, तो यह मुख्य रूप से जीबी विरूपण प्रक्रिया का प्रभुत्व होता है, और अनाज का आकार कम हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप शक्ति और प्रवाह तनाव में कमी आती है, अर्थात एक "एंटी-हॉल-पेच प्रभाव"। हालांकि, एफसीसी और बीसीसी धातुओं में जीबी को मॉडल करने के लिए उपयोग की जाने वाली मल्टीबॉडी और जोड़ी क्षमता के बीच व्यापक तुलना से पता चलता है कि इन विभिन्न बल विवरणों द्वारा अनुमानित व्यवहार में थोड़ा गुणात्मक अंतर है, यह सुझाव देता है कि जीबी व्यवहार पर मल्टीबॉडी प्रभाव हावी नहीं हो सकता है।
बेजौद, जे। ड्यूरिनक एट अल। विकृत जुड़वां और नैनोसंरचित Cu / Ag इंटरफेस के बीच बातचीत का अध्ययन करने के लिए आणविक गतिशीलता सिमुलेशन का उपयोग किया, और न्यूक्लियेशन, विस्तार और जुड़वा बच्चों के मोटा होने पर इंटरफ़ेस संरचना के प्रभावों का विश्लेषण किया, और बेमेल इंटरफ़ेस को समझाया। अव्यवस्था ग्रिड की भूमिका। चित्रा 4 शॉकली आंशिक अव्यवस्था ग्रिड (काली रेखाओं द्वारा हाइलाइट किया गया), त्रिकोणीय पैटर्न (सफेद खंड), और इंटरफ़ेस पर स्टैकिंग गलती वितरण दिखाता है। उनमें से, परमाणु केंद्रीय समरूपता पैरामीटर के अनुसार रंगीन है, नीला परमाणु सही एफसीसी वातावरण में है, और लाल परमाणु स्टैकिंग फॉल्ट या ट्विनिंग फॉल्ट में है।
चित्र 4 (ए) इंटरफ़ेस के साथ Cu और Ag परमाणुओं का शीर्ष दृश्य: (ai) COC इंटरफ़ेस, (a.ii) इंटरफ़ेस के लिए, (b) X के साथ साइड व्यू = <011> दिशा: (bi) COC में इंटरफ़ेस और मामला, सुसंगत क्षेत्र अंतर्निहित स्टैकिंग फॉल्ट (ISF) क्षेत्र, (b.ii) TO इंटरफ़ेस के साथ वैकल्पिक होता है, और दोहरा दोष क्षेत्र लगातार Cu परत और Ag परत में मौजूद होता है।

सुझाव: आणविक गतिकी के मूल सिद्धांत और अनुप्रयोग 4

चित्रा 5 तनाव-तनाव वक्र और जुड़वा बच्चों के परमाणु अनुपात को तनाव के एक कार्य के रूप में दिखाता है। विश्लेषण के माध्यम से, उन्होंने पाया कि इंटरफ़ेस प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से लोमर अव्यवस्थाओं के माध्यम से जुड़वां अव्यवस्थाओं के न्यूक्लियेशन को प्रेरित कर सकता है, और कैसे विषम इंटरफ़ेस संरचना यांत्रिक ट्विनिंग प्रक्रिया के विभिन्न चरणों को प्रभावित करती है, जिससे नैनोस्ट्रक्चर्ड Cu / Ag में टैंटलम का निर्माण प्रभावित होता है। क्रिस्टल का आकार। यह परमाणु पैमाने की विधि नैनोस्केल कंपोजिट में यांत्रिक ट्विनिंग प्रक्रिया के लिए कुछ उपयोगी सैद्धांतिक आधार प्रदान करती है।
चित्रा 5 (ए) तनाव-तनाव वक्र, (बी) तनाव के एक समारोह के रूप में जुड़वां के परमाणु अनुपात

सुझाव: आणविक गतिकी के मूल सिद्धांत और अनुप्रयोग 5

विरूपण तंत्र को नियंत्रित करते हुए यांत्रिक गुणों को समायोजित करने के लिए बहुपरत सामग्रियों को डिजाइन करना एक गर्म विषय है क्योंकि ट्विनिंग नैनोलेयर्स और नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री के यांत्रिक गुणों को शामिल करने की अनुमति देता है। इस संबंध में, यह अध्ययन दोहरे इंटरफ़ेस इंटरैक्शन के तंत्र को समझने की कुंजी प्रदान करता है और इस दृष्टिकोण का समर्थन करता है कि हेटरोफैसिक इंटरफेस ट्विनिंग को बढ़ावा देते हैं।
कम-समरूपता एचसीपी संरचनात्मक धातुओं वाले अल्ट्रा-फाइन-स्केल स्तरित कंपोजिट के लिए, बड़ी संख्या में हेटेरोइंटरफेस परमाणु विकिरण के कारण रिक्तियों और अंतरालीय परमाणुओं जैसे दोषों को प्रभावी ढंग से अवशोषित कर सकते हैं, और एचसीपी धातुओं में कम घनत्व, विशिष्ट ताकत और हाल के वर्षों में , Ti, Zr, Mg और अन्य धातुओं से बनी हेक्सागोनल बहुपरत सामग्री ने अपनी उच्च विशिष्ट कठोरता और अच्छी विद्युत और तापीय चालकता के कारण लोगों का ध्यान आकर्षित करना शुरू कर दिया है। हालांकि, उच्च क्रिस्टल संरचना समरूपता वाले एफसीसी और बीसीसी धातुओं की तुलना में, एचसीपी धातु में खराब कमरे के तापमान प्लास्टिक विरूपण क्षमता होती है, जो संबंधित मिश्रित सामग्री के उपयोग को प्रतिबंधित करती है।
परमाणु पैमाने के स्थानिक और लौकिक संकल्प के अलावा, आणविक गतिकी सिमुलेशन पूरी तरह से चित्रित आदर्श नैनोक्रिस्टल मॉडल के व्यवहार का वर्णन कर सकता है, जैसे कि इंटरफेसियल संरचना, ड्राइविंग बल और परमाणु तंत्र; दूसरी ओर, यह बहुत अधिक अनाज की सीमाओं और स्थितियों पर हो सकता है। बड़े प्लास्टिक विरूपण व्यवहार को गलत घनत्व पर देखा गया था। उदाहरण के लिए, डिस्लोकेशन न्यूक्लिएशन मैकेनिज्म, ग्रेन बाउंड्री क्वेंचिंग, नैनोक्रिस्टलाइन अल में मैकेनिकल ट्विनिंग, डिस्लोकेशन से ग्रेन बाउंड्री-बेस्ड डिफॉर्मेशन मैकेनिज्म में ग्रेन साइज में कमी, शीयर बैंड का अवलोकन और इसके फ्रैक्चर सरफेस रिलेशनशिप।
इसके अलावा, व्यावहारिक अनुप्रयोग और अनुसंधान प्रक्रिया में, विभिन्न समस्या विवरण और चयन के लिए सैद्धांतिक मॉडल, गतिशीलता ने बहुत सारी सैद्धांतिक शाखाएं विकसित की हैं, उदाहरण के लिए, जियान हान, पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय के स्पेंसर एल थॉमस और अन्य पर भरोसा करते हैं सीमा की शक्ति वियोग का विवरण पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री, झेंग मा एट अल की अनाज सीमा गतिशीलता की अवधारणा को सारांशित करता है। FeCO3, साथ ही सतह/इंटरफ़ेस कैनेटीक्स की वर्षा कैनेटीक्स का अध्ययन किया।

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