微視的なシミュレーション システムが巨視的な実験現象を反映するためには、実際には存在しないエッジ効果を回避するために、周期的な境界条件を通じてシミュレートされたオブジェクト システムを定期的に複製する必要があります。原則として、分子システムの理論的研究には、時間依存のシュレディンガー方程式の解が必要です。ただし、実際には、核の軌道にもっと注意が払われます。このような軌跡は、ボルン オッペンハイマー近似を使用して古典的な力学的運動方程式を解くことによって取得できます。 Alder と Wainwright は、コンピュータ シミュレーション実験が巨視的な実験現象と微視的な自然をつなぐ重要な架け橋になるだろうと述べています。最初の分子動力学シミュレーション実験の 10 年後、フランスの物理学者 Verlet は、ニュートンの運動方程式の積分アルゴリズムを提案しました。同時に、隣接する原子のペアを生成および記録するための別のアルゴリズム セットが提案され、原子間の相互作用の計算が大幅に簡素化されます。これら 2 つのアルゴリズムは、一部のバリアント [1、2] で実際に広く使用されています。
過去数十年にわたって、格子静力学、格子動力学、モンテカルロ、分子動力学など、さまざまな原子レベルのシミュレーション手法が開発されてきました。その中でも、分子動力学は塑性変形の研究に特に適しています。これは、いくつかの定義された原子間相互作用ポテンシャル関数の原子間相互作用システムのニュートン方程式の解を通じて、変形プロセスのリアルタイム挙動を研究し、格子の非単純化を含みます。内部応力の高調波、高さムラ、系の過渡応答。
分子動力学は、主にニュートン力学に依存して分子システムの運動をシミュレートし、分子システムのさまざまな状態で構成されるシステムからサンプルを抽出し、それによってシステムの配置積分を計算し、さらに配置の結果に基づいてシステムを計算します積分。熱力学量とその他の巨視的特性。原子核と電子で構成される多体系の運動方程式を解きます。多数の原子組成のシステムダイナミクス問題を解くことができる計算手法です。物質の巨視的な進化特性を直接シミュレートできるだけでなく、テスト結果とも一致します。同様の計算により、微細構造、粒子運動、および巨視的特性との関係の明確なイメージも得られ、新しい理論や概念の開発に強力な技術サポートを提供します。
分子動力学の対象は粒子系です。システム内の原子間の相互作用は、ポテンシャル関数によって記述されます。したがって、ポテンシャル関数のタイプとそのパラメーターを正しく選択することは、シミュレーション結果において重要な役割を果たします。ほとんどの場合、ポテンシャル エネルギー関数は分子の幾何学的変形の記述を簡略化するため、単純な調和項と三角関数のみが使用されます。結合原子間の相互作用の代わりに、クーロン相互作用とレナード・ジョーンズ ポテンシャルのみが使用されます。まとめて説明。その中で、原子間の相互作用力の記述は通常、経験的または半経験的であり、計算効率を向上させることができますが、電子結合の多体特性、特にその構造と化学に関連する複雑さを完全に明らかにすることはできません。欠陥の近く。自己無撞着変分関数。 Daw と Baskws の EAM (Embedded-atom model) ポテンシャル関数は、電子結合の多体特性をある程度組み合わせています。
ポテンシャル関数の信頼性は、主に力場パラメーターの精度に依存し、力場パラメーターは、実験観測データと量子力学的 ab initio データをフィッティングすることによって取得できます。現在、生体高分子システムのシミュレーションで最も広く使用されている分子力場は、CHARMM 力場と AMBER 力場であり、生体高分子の初期研究用の分子力場です。既存の力場パラメーターは引き続き最適化されており、対象となる分子の種類も拡大しています。粗視化モデルは、計算による生物物理学的研究においてますます注目を集めています。このモデルでは粗粒状粒子が定義されており、全原子モデルの複数の原子または原子群、さらには分子に対応しているからです。システム内の粒子の数が減るため、シミュレーションの時間と空間のスケールが大幅に改善されますが、原子の詳細も失われます。このモデルに基づく分子動力学シミュレーションは、遅い生物現象や大規模なアセンブリに依存する生物現象の研究に適しています。
基本的な力場を設計する基本原則は、時間ステップでの計算エネルギーのオーバーヘッドを最小限に抑えて、シミュレーションの規模を最大化することです。これは、いわゆる粗視化モデルであっても、完全な原子間力場にとって特に重要です。特に、マイクロ秒またはミリ秒の時間スケールをシミュレートする場合、この原則は非常に重要です。
図 1 は、分子動力学の時間次元と空間次元の間の反比例関係を図の左から右に示しています。(1) 水、細胞の基本成分。 (2) ウシトリプシンインヒビター、呼吸行動をミリ秒単位で調べることができる酵素; (3) リボソーム、遺伝情報を解読し、タンパク質を生成することができる複雑な生物学的装置; (4) 紫色の細菌の光合成膜断片、この図は、リン脂質二重層と光化学反応中心に埋め込まれた集光複合体を示しています。
図1 古典分子動力学の時間と空間のスケール関係

Tips: 分子動力学の基本原理と応用 1

コンピュータ プロセッサの急速な成長と大規模並列コンピューティング アーキテクチャの開発、大規模並列化または独自のアーキテクチャ技術とスケーラブルな分子動力学プログラムの組み合わせにより、コンピュータ シミュレーションは、転位から粒界ベースの変形メカニズムにまで及びます。粒子サイズの全範囲は、材料システムの研究フロンティアを探求するための新しい道を開きます。
たとえば、William Gonçalves ら。大規模な原子/分子並列シミュレーター LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel) を使用して、Wolf BKS (van Beest、Kramer、van Santen) ポテンシャル関数を使用して、原子間の相互作用を記述しました。 Simulator) は、シリカエアロゲルの弾性と強度の分子動力学を研究しました。彼らは速度-Verlet アルゴリズムと 1.0 fs のタイム ステップを使用し、3 つの方向すべてで周期的な境界条件を使用しました。
図 2 は、シミュレートされた 7,000,000 原子を超える大容量サンプルの 3D 模式図であり、厚さ 20 nm のサンプル セクションと部分拡大図 (青は酸素原子、赤はシリコン原子)、および図 3 (a ) は 803 nm 3 エアロゲルです。サンプルを一軸引張試験にかけ、300 K の応力 - ひずみ曲線を得ました。(bd) は典型的な延性破壊画像、(e) 引張強度とサンプル体積の間の対数関係です。彼らは、弾性などの機械的特性の適切な評価を確実にするために、シミュレートされたサンプルのサイズは細孔サイズの少なくとも 8 倍であると分析しましたが、正の表面高さを持つシリカ エアロゲルは、準静的条件。
図 2 シミュレートされたシリカ エアロゲル サンプル (700 万個以上の原子)

Tips: 分子動力学の基本原理と応用 2

図3 一軸引張試験の応力-ひずみ曲線(a)、強度-体積関係(e)、破壊像(bd)

ヒント: 分子動力学の基本原理と応用 3

一般に、臨界粒径 dc は約 20 ~ 30 nm であり、粒径 (50 ~ 100 nm) のより大きな変形は主に転位によって決定されます。粒子サイズが30 nm未満の場合、主にGB変形プロセスが支配的であり、粒子サイズは減少します。これにより、強度と流動応力が減少します。つまり、「アンチ ホール ペッチ効果」です。ただし、fcc および bcc 金属で GB をモデル化するために使用されるマルチボディ ポテンシャルとペア ポテンシャルを大規模に比較すると、これらの異なる力の記述によって予測される動作に質的な違いはほとんどないことが明らかになり、マルチボディ効果が GB 動作を支配しない可能性があることが示唆されます。
Bejaud、J. Durinck 他。分子動力学シミュレーションを使用して、変形した双晶とナノ構造のCu / Ag界面との相互作用を研究し、界面構造が双晶の核形成、膨張、および肥厚に及ぼす影響を分析し、ミスマッチ界面を説明しました。転位グリッドの役割。図4は、Shockley部分転位グリッド(黒い線で強調表示)、三角形のパターン(白い部分)、および界面での積層欠陥分布を示しています。その中で、原子は中心対称パラメーターに従って色付けされ、青い原子は完全な FCC 環境にあり、赤い原子は積層欠陥または双晶欠陥にあります。
図 4 (a) 界面に沿った Cu および Ag 原子の上面図: (ai) COC 界面、(a.ii) TO 界面、(b) X = <011> 方向に沿った側面図: (bi) COC 中界面とその場合、コヒーレント領域と固有積層欠陥 (ISF) 領域、(b.ii) TO 界面、および二重欠陥領域が Cu 層と Ag 層に連続して存在します。

ヒント: 分子動力学の基本原理と応用 4

図 5 は、応力 - ひずみ曲線と双晶の原子比をひずみの関数として示しています。分析を通じて、彼らは、界面がロマー転位を介して双晶転位の核形成を直接的または間接的に誘発できること、および異種界面構造が機械的双晶プロセスのさまざまなステップにどのように影響し、それによってナノ構造 Cu / Ag でのタンタルの形成に影響を与えるかを発見しました。水晶の大きさ。この原子スケールの方法は、ナノスケールの複合材料における機械的双晶化プロセスの有用な理論的基礎を提供します。
図 5 (a) 応力 - ひずみ曲線、(b) ひずみの関数としての双晶の原子比

ヒント: 分子動力学の基本原理と応用 5

機械的特性を調整するために多層材料を設計することは、変形メカニズムを制御しながらホットなトピックです。双晶化により、ナノレイヤーとナノ結晶材料の機械的特性を組み込むことができるためです。この点で、この研究は、二重界面相互作用のメカニズムを理解するための鍵を提供し、異相界面が双晶を促進するという見解を支持します。
対称性の低いhcp構造金属を含む超微細スケールの層状複合材料では、多数のヘテロ界面が核照射によって引き起こされる空孔や格子間原子などの欠陥を効果的に吸収でき、hcp金属自体は密度が低く、比強度が低く、近年、Ti、Zr、Mgなどの金属からなる六方晶多層材料は、比剛性が高く、電気・熱伝導性に優れていることから注目され始めています。ただし、結晶構造の対称性が高い fcc および bcc 金属と比較して、hcp 金属は室温での塑性変形能力が低く、関連する複合材料の使用が制限されます。
原子スケールの空間的および時間的分解能に加えて、分子動力学シミュレーションは、界面構造、駆動力、原子メカニズムなど、完全に特徴付けられた理想化されたナノ結晶モデルの挙動を説明できます。一方、非常に高い粒界と位置にある可能性があります。不適切な密度で大きな塑性変形挙動が観察されました。例えば、転位核生成メカニズム、粒界クエンチング、ナノ結晶Alの機械的双晶化、転位から粒界ベースの変形メカニズムへの結晶粒径の縮小、せん断帯とその破面関係の観察。
さらに、実際のアプリケーションと研究プロセス、さまざまな問題の説明と選択の理論モデル、ダイナミクスは多くの理論的枝を開発しました。境界の力 切断の説明は、多結晶材料の粒界ダイナミクスの概念を要約しています。Zheng Ma et al. FeCO3 の沈殿反応速度論、および表面/界面反応速度論を研究しました。

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