팁 : 분자 역학의 기본 원리 및 응용-Meetyou Carbide

미시적 시뮬레이션 시스템이 거시적 실험 현상을 반영하기 위해서는 실제로 존재하지 않는 에지 효과를 피하기 위해 주기적인 경계 조건을 통해 시뮬레이션된 객체 시스템을 주기적으로 복제하는 것이 필요합니다. 원칙적으로 모든 분자 시스템의 이론적 연구에는 시간에 따른 슈뢰딩거 방정식의 해가 필요합니다. 그러나 실제로는 핵의 궤적에 더 많은 관심이 집중됩니다. 이러한 궤적은 Born-Oppenheimer 근사법을 사용하여 고전적인 기계적 운동 방정식을 풀어서 얻을 수 있습니다. Alder와 Wainwright는 컴퓨터 시뮬레이션 실험이 거시적 실험 현상과 미시적 자연을 연결하는 중요한 다리가 될 것이라고 말했습니다. 10년 간의 최초의 분자 역학 시뮬레이션 실험 끝에 프랑스 물리학자 Verlet은 뉴턴의 운동 방정식에 대한 통합 알고리즘을 제안했습니다. 동시에 이웃 원자 쌍을 생성하고 기록하는 또 다른 알고리즘 세트가 제안되어 원자 간의 상호 작용 계산이 크게 단순화됩니다. 이 두 가지 알고리즘은 일부 변형에서 실제로 널리 사용됩니다[1, 2].

격자정역학, 격자동역학, 몬테카를로, 분자동역학 등 다양한 원자 수준 시뮬레이션 방법이 지난 수십 년 동안 개발되었습니다. 그 중에서도 분자동역학은 소성 변형 연구에 특히 적합합니다. 이는 일부 정의된 원자간 상호작용 전위 함수의 원자 상호작용 시스템에 대한 뉴턴 방정식의 해를 통해 변형 과정의 실시간 동작을 연구하고 격자의 비단순화를 포함합니다. 내부 응력의 조화, 높이 불균일 및 시스템의 과도 응답.

분자 역학은 주로 뉴턴 역학에 의존하여 분자 시스템의 움직임을 시뮬레이션하여 분자 시스템의 여러 상태로 구성된 시스템에서 샘플을 추출함으로써 시스템의 구성 적분을 계산하고 구성 결과를 기반으로 시스템을 추가로 계산합니다. 완전한. 열역학적 수량 및 기타 거시적 특성. 핵과 전자로 구성된 멀티 바디 시스템의 운동 방정식을 해결합니다. 많은 원자 구성의 시스템 역학 문제를 해결할 수있는 계산 방법입니다. 또한 물질의 거시적 진화 특성을 직접 시뮬레이션 할 수있을뿐만 아니라 테스트 결과에 동의합니다. 유사한 계산은 미세 구조, 입자 운동 및 거시적 특성과의 관계에 대한 명확한 이미지를 제공하여 새로운 이론 및 개념 개발을위한 강력한 기술 지원을 제공 할 수 있습니다.

분자 역학의 목적은 입자 시스템입니다. 시스템에서 원자 사이의 상호 작용은 잠재적 기능에 의해 설명됩니다. 따라서 잠재적 기능 유형과 해당 매개 변수의 올바른 선택은 시뮬레이션 결과에서 중요한 역할을합니다. 대부분의 경우, 잠재적 에너지 함수는 단순한 고조파 항과 삼각 함수 만 사용되는 정도로 분자의 기하학적 변형 설명을 단순화합니다. 결합 원자들 사이의 상호 작용 대신에, 쿨롱 상호 작용 및 Lennard-Jones 전위 만이 사용된다. 설명을 결합했습니다. 그 중에서도 원자 간의 상호 작용력에 대한 설명은 일반적으로 경험적이거나 반 임계 적이며 계산 효율을 향상시킬 수는 있지만 전자 결합의 멀티 바디 특성, 특히 구조 및 화학과 관련된 복잡성을 완전히 밝힐 수는 없습니다. 결함 부근. 일관된 변이 기능. Daw와 Baskws의 EAM (Embedded-Atom Model) 포텐셜 기능은 전자 결합의 멀티 바디 특성을 어느 정도 결합합니다.

포텐셜 함수의 신뢰성은 주로 힘장 파라미터의 정확성에 의존하며, 힘장 파라미터는 실험적 관찰 데이터 및 양자 역학적 데이터를 피팅함으로써 얻을 수있다. 현재, 생물학적 거대 분자 시스템의 시뮬레이션에서 가장 널리 사용되는 분자력 장은 CHARMM force field와 AMBER force field로 생물학적 거대 분자의 초기 연구를위한 분자력 장입니다. 기존의 힘장 파라미터는 계속해서 지속적으로 최적화되고 있으며 커버되는 분자의 유형도 확대되고 있습니다. 굵은 입자 모델은 여러 원자 또는 원자 그룹 또는 심지어 모든 원자 모델의 분자에 해당하는이 모델에 굵은 입자가 정의되어 있기 때문에 계산 생물 물리학 연구에서 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 시스템의 파티클 수가 줄어들어 시뮬레이션의 시간과 공간 규모가 크게 향상 될 수 있지만 원자 적 세부 사항도 손실됩니다. 이 모델을 기반으로 한 분자 역학 시뮬레이션은 큰 어셈블리에 의존하는 느린 생물학적 현상 또는 생물학적 현상을 연구하는 데 적합합니다.

기본 힘장을 설계하는 기본 원리는 시뮬레이션 스케일을 최대화하기 위해 시간 단계에서 계산 에너지 오버 헤드를 최소화하는 것입니다. 이것은 소위 거친 입자 모델에서도 전체 원자력 장에 특히 중요합니다. 특히,이 원리는 마이크로 초 또는 밀리 초 시간 스케일을 시뮬레이션하려는 경우 매우 중요합니다.

그림 1은 그림에서 왼쪽에서 오른쪽으로 분자 역학의 시간과 공간 차원의 역 관계를 보여줍니다. (1) 세포의 기본 구성 요소 인 물; (2) 소의 트립신 억제제, 효소. "호흡 동작은 밀리 초 단위로 조사 할 수 있습니다."(3) 유전자 정보를 해독하고 단백질을 생산할 수있는 복잡한 생물학적 장치 인 리보솜; (4) 자주색 박테리아 광합성 막 단편, 2,500 만개의 원자로,이 그림은 인지질 이중층과 광화학 반응 센터에 내장 된 광 수확 복합체를 보여줍니다.

그림 1 고전적인 분자 역학의 시간과 공간 사이의 스케일 관계

팁 : 분자 역학의 기본 원리와 응용 1

컴퓨터 프로세서의 급속한 성장과 대규모 병렬 컴퓨팅 아키텍처의 개발, 대규모 병렬 또는 독점 아키텍처 기술과 확장 가능한 분자 역학 프로그램의 조합으로 컴퓨터 시뮬레이션은 탈구에서 입자 경계 기반 변형 메커니즘에 이르기까지 다양합니다. 입자 크기의 전체 범위는 재료 시스템의 연구 영역을 탐구 할 수있는 새로운 길을 열어줍니다.

예를 들어, William Gonçalves et al. Wolf BKS (van Beest, Kramer 및 van Santen) 전위 함수를 사용하여 대규모 원자 / 분자 병렬 시뮬레이터 LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel)를 사용하여 원자 간 상호 작용을 설명했습니다. 시뮬레이터)는 실리카 에어로겔의 탄성 및 강도의 분자 역학을 연구 하였다. 그들은 속도 -Verlet 알고리즘과 1.0 fs 시간 단계를 사용했고, 세 방향 모두에서 주기적 경계 조건을 사용했습니다.

그림 2는 7,000,000 원자 이상의 시뮬레이션 된 대량 샘플과 20 nm 두께의 샘플 섹션과 부분 확대도 (파란색은 산소 원자, 빨간색은 실리콘 원자)의 3D 개략도이며, )는 803 nm 3 에어로겔이다. 샘플에 1 축 인장 시험을 실시하여 300K의 응력-변형 곡선을 얻었고, (bd)는 전형적인 연성 파괴 이미지이고, (e) 인장 강도와 샘플 부피 사이의 로그 관계입니다. 그들은 탄성과 같은 기계적 성질의 적절한 평가를 보장하기 위해, 모의 샘플의 크기는 기공 크기의 8 배 이상이고, 표면 높이가 양인 실리카 에어로겔은 준 변형을 보장하기 위해 상대적으로 낮은 변형률을 필요로한다고 분석했다. 정적 조건.

그림 2 시뮬레이션 된 실리카 에어로겔 샘플 (7 백만 원자 이상)

팁 : 분자 역학의 기본 원리와 응용 2

그림 3 단축 인장 시험의 응력-변형률 곡선 (a), 강도-볼륨 관계 (e) 및 파단 이미지 (bd)

팁 : 분자 역학의 기본 원리와 응용 3

일반적으로 임계 입자 크기 dc는 약 20-30nm이며 입자 크기에 대한 더 큰 변형 (50-100nm)은 주로 전위에 의해 결정됩니다. 입자 크기가 30 nm 미만인 경우, 주로 GB 변형 공정에 의해 지배되고 입자 크기가 감소된다. 이는 강도 및 유동 응력의 감소, 즉 "반홀-페치 효과"를 초래한다. 그러나 fcc 및 bcc 금속에서 GB를 모델링하는 데 사용 된 멀티 바디와 페어 전위를 광범위하게 비교하면 이러한 다른 힘 설명에 의해 예측 된 동작에 질적 차이가 거의 없으므로 멀티 바디 효과가 GB 동작을 지배하지 않을 수 있습니다.

Bejaud, J. Durinck et al. 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 변형 된 쌍둥이와 나노 구조화 된 Cu / Ag 계면의 상호 작용을 연구하고, 쌍둥이의 핵 형성, 팽창 및 비후에 대한 계면 구조의 영향을 분석하고 불일치 인터페이스를 설명했습니다. 탈구 그리드의 역할. 그림 4는 Shockley 부분 전위 그리드 (검은 색 선으로 강조 표시됨), 삼각형 패턴 (흰색 섹션) 및 인터페이스에서의 스태킹 결함 분포를 보여줍니다. 그중에서 원자는 중심 대칭 매개 변수에 따라 색이 지정되고 파란색 원자는 완벽한 FCC 환경에 있으며 빨간색 원자는 쌓기 결함 또는 트위닝 결함에 있습니다.

그림 4 (a) 계면을 따른 Cu 및 Ag 원자의 평면도 : (ai) COC 계면, (a.ii) TO 계면, (b) X = <011> 방향을 따른 측면도 : (bi) COC에서 인터페이스 및 경우에, 코 히어 런트 영역은 고유 스택 킹 결함 (ISF) 영역, (b.ii) TO 인터페이스와 교번하고, 이중 결함 영역은 Cu 층 및 Ag 층에 연속적으로 존재한다.

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그림 5는 변형률 함수로서 응력-변형 곡선과 쌍둥이의 원 자비를 보여줍니다. 그들은 분석을 통해 인터페이스가 Lomer 전위를 통해 트윈 전위의 핵 형성을 직접 또는 간접적으로 유도 할 수 있으며 이기종 인터페이스 구조가 기계적 트위닝 공정의 여러 단계에 어떻게 영향을 미쳐 나노 구조 Cu / Ag에서 탄탈륨 형성에 영향을 미치는지 발견했습니다. 결정의 크기. 이 원자 규모 방법은 나노 규모의 복합 재료의 기계적 트위닝 공정에 유용한 이론적 근거를 제공합니다.

그림 5 (a) 응력-변형 곡선, (b) 변형률에 따른 쌍의 원 자비

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트위닝이 나노 층과 나노 결정질 물질의 기계적 성질을 포함 할 수 있기 때문에, 기계적 성질을 조절하기 위해 다층 물질을 설계하는 것은 뜨거운 메커니즘이다. 이와 관련하여,이 연구는 이중 인터페이스 상호 작용의 메커니즘을 이해하는 데 핵심이되고 이종 인터페이스가 트위닝을 촉진한다는 견해를지지한다.

대칭성이 낮은 hcp 구조 금속을 포함하는 초미세 층상 복합재의 경우 다수의 이종계면이 핵 조사로 인한 공극 및 격자간 원자와 같은 결함을 효과적으로 흡수할 수 있으며, hcp 금속 자체는 밀도가 낮고 비강도가 낮으며 최근에는 Ti, Zr, Mg 및 기타 금속으로 구성된 육각형 다층 재료는 높은 비강성과 우수한 전기 및 열 전도성으로 인해 사람들의 관심을 끌기 시작했습니다. 그러나 결정 구조 대칭성이 높은 fcc 및 bcc 금속에 비해 hcp 금속은 실온 소성 변형 능력이 좋지 않아 관련 복합 재료의 사용이 제한됩니다.

원자 규모의 공간 및 시간 해상도에 더하여, 분자 역학 시뮬레이션은 계면 구조, 구동력 및 원자 메커니즘과 같은 완전히 특성화 된 이상적인 나노 결정 모델의 거동을 설명 할 수 있습니다. 반면에, 입자 경계와 위치가 매우 높을 수 있습니다. 잘못된 밀도에서 큰 소성 변형 거동이 관찰되었습니다. 예를 들어, 전위 핵 형성 메커니즘, 결정립 en 칭, 나노 결정질 Al에서의 기계적 트위닝, 전위에서 결정립계 기반 변형 메커니즘으로의 결정립 크기 감소, 전단 밴드의 관찰 및 파단 표면 관계.

또한 실제 적용 및 연구 프로세스, 다양한 문제 설명 및 선택에 대한 이론적 모델에서 역학은 예를 들어 펜실베니아 대학교의 지안 한 (Jian Han), 스펜서 L. 토마스 (Spencer L. Thomas) 등 많은 이론적 지사를 발전시켰다 경계의 힘 단절에 대한 설명은 다결정 재료의 입자 경계 역학의 개념을 요약합니다 (Zheng Ma et al. 표면 / 인터페이스 동역학뿐만 아니라 FeCO3의 석출 동역학을 연구했습니다.