Para que o sistema de simulação microscópica reflita os fenômenos experimentais macroscópicos, é necessário replicar periodicamente o sistema de objetos simulados através de condições de contorno periódicas para evitar efeitos de borda que não existem na prática. Em princípio, o estudo teórico de qualquer sistema molecular requer a solução da equação de Schrödinger dependente do tempo. No entanto, na prática, mais atenção é dada à trajetória do núcleo. Tal trajetória pode ser obtida resolvendo a equação mecânica clássica do movimento usando a aproximação de Born-Oppenheimer. Alder e Wainwright disseram que os experimentos de simulação por computador se tornarão uma importante ponte conectando fenômenos experimentais macroscópicos e natureza microscópica. Após 10 anos de seus primeiros experimentos de simulação de dinâmica molecular, o físico francês Verlet propôs um algoritmo de integração para as equações de movimento de Newton. Ao mesmo tempo, outro conjunto de algoritmos para geração e registro de pares de átomos vizinhos é proposto, o que simplifica bastante o cálculo da interação entre os átomos. Esses dois algoritmos ainda são amplamente utilizados na prática em algumas variantes [1, 2].
Uma variedade de métodos de simulação em nível atômico foi desenvolvida nas últimas décadas, incluindo estática de rede, dinâmica de rede, Monte Carlo e dinâmica molecular. Entre eles, a dinâmica molecular é especialmente adequada para o estudo da deformação plástica. Estuda o comportamento em tempo real do processo de deformação através da solução da equação de Newton do sistema de interação atômica de algumas funções de potencial de interação interatômica definidas, e inclui a não simplificação da rede. Harmonicidade, desnível de altura de estresse interno e resposta transitória do sistema.
A dinâmica molecular depende principalmente da mecânica newtoniana para simular o movimento do sistema molecular para extrair amostras de sistemas compostos de diferentes estados do sistema molecular, calculando assim a integral de configuração do sistema e calculando ainda mais o sistema com base nos resultados da configuração integrante. Grandezas termodinâmicas e outras propriedades macroscópicas. Ele resolve a equação de movimento para um sistema multicorpos composto de núcleos e elétrons. É um método computacional que pode resolver o problema de dinâmica de sistemas de um grande número de composições atômicas. Ele pode não apenas simular diretamente as características de evolução macroscópica de uma substância, mas também concordar com os resultados do teste. Cálculos semelhantes também podem fornecer uma imagem clara da microestrutura, movimento de partículas e sua relação com propriedades macroscópicas, fornecendo suporte técnico poderoso para o desenvolvimento de novas teorias e conceitos.
O objeto da dinâmica molecular é um sistema de partículas. A interação entre os átomos no sistema é descrita pela função potencial. Portanto, a seleção correta do tipo de função potencial e seus parâmetros desempenha um papel importante nos resultados da simulação. Na maioria dos casos, a função de energia potencial simplifica a descrição da deformação geométrica da molécula na medida em que apenas o termo harmônico simples e a função trigonométrica são usados; em vez da interação entre os átomos de ligação, apenas a interação de Coulomb e o potencial de Lennard-Jones são usados. Combinado para descrever. Entre eles, a descrição da força de interação entre os átomos é geralmente empírica ou semi-empírica, o que pode melhorar a eficiência computacional, mas não pode revelar completamente as propriedades multicorpos da ligação eletrônica, especialmente as complexidades relacionadas à sua estrutura e química em proximidades dos defeitos. Função variacional autoconsistente. A função potencial EAM (embedded-atom model) de Daw e Baskws combina as propriedades multicorpos da ligação eletrônica até certo ponto.
A confiabilidade da função potencial depende principalmente da precisão dos parâmetros do campo de força, e os parâmetros do campo de força podem ser obtidos ajustando dados de observação experimental e dados ab initio de mecânica quântica. Atualmente, o campo de força molecular mais utilizado na simulação de sistemas macromoleculares biológicos é o campo de força CHARMM e o campo de força AMBER, que é o campo de força molecular para o estudo inicial de macromoléculas biológicas. Os parâmetros de campo de força existentes ainda estão sendo continuamente otimizados e os tipos de moléculas cobertas também estão se expandindo. O modelo de granulação grossa vem ganhando cada vez mais atenção na pesquisa biofísica computacional, uma vez que partículas granuladas grosseiras são definidas neste modelo, correspondendo a vários átomos ou grupos atômicos ou mesmo moléculas no modelo de todos os átomos. O número de partículas no sistema é reduzido, de modo que a escala de tempo e espaço da simulação pode ser bastante melhorada, mas os detalhes atômicos também serão perdidos. Simulações de dinâmica molecular baseadas neste modelo são adequadas para estudar fenômenos biológicos lentos ou fenômenos biológicos que dependem de grandes montagens.
O princípio fundamental de projetar um campo de força básico é minimizar a sobrecarga de energia computacional em um intervalo de tempo para maximizar a escala de simulação. Isso é especialmente importante para o campo de força atômico completo, mesmo para o chamado modelo de granulação grossa. Em particular, esse princípio é extremamente importante se você deseja simular escalas de tempo de microssegundos ou mesmo milissegundos.
A Figura 1 mostra a relação inversa entre as dimensões de tempo e espaço da dinâmica molecular, da esquerda para a direita na figura: (1) água, os componentes básicos das células; (2) inibidor de tripsina bovina, uma enzima, que "o comportamento respiratório pode ser examinado em uma escala de milissegundos; (3) ribossomos, um dispositivo biológico complexo que pode decodificar informações genéticas e produzir proteínas; (4) fragmentos de membrana fotossintética bacteriana roxa, com 25 milhões de átomos, a figura mostra o complexo de captação de luz embutido na bicamada fosfolipídica e no centro de reação fotoquímica.
Figura 1 Relação de escala entre tempo e espaço da dinâmica molecular clássica

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Com o rápido crescimento dos processadores de computador e o desenvolvimento de arquiteturas de computação massivamente paralelas, a combinação de técnicas de arquitetura massivamente paralelizadas ou proprietárias com programas de dinâmica molecular escaláveis, as simulações de computador variam de deslocamentos a mecanismos de deformação baseados em limites de grãos. Toda a gama de tamanhos de grãos abre novos caminhos para explorar as fronteiras de pesquisa de sistemas de materiais.
Por exemplo, William Gonçalves et al. utilizou a função potencial Wolf BKS (van Beest, Kramer e van Santen) para descrever a interação entre os átomos, usando o simulador paralelo atômico/molecular de grande escala LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel). Simulator) estudou a dinâmica molecular da elasticidade e resistência de aerogéis de sílica. Eles usaram o algoritmo de velocidade-Verlet e passo de tempo de 1,0 fs, e usaram condições de contorno periódicas em todas as três direções.
A Figura 2 é um diagrama esquemático 3D de uma amostra de grande volume simulada de mais de 7.000.000 átomos e uma seção de amostra de 20 nm de espessura e uma visão parcial ampliada (azul é um átomo de oxigênio, vermelho é um átomo de silício) e a Figura 3 (a ) é um aerogel de 803 nm 3 . A amostra foi submetida a um teste de tração uniaxial para obter uma curva tensão-deformação de 300 K, (bd) é uma imagem típica de fratura dúctil, e (e) uma relação logarítmica entre resistência à tração e volume da amostra. Eles analisaram que, para garantir a avaliação adequada de propriedades mecânicas, como elasticidade, o tamanho da amostra simulada é pelo menos 8 vezes o tamanho do poro, enquanto o aerogel de sílica com uma altura de superfície positiva requer uma taxa de deformação relativamente baixa para garantir quase condições estáticas.
Figura 2 Amostra de aerogel de sílica simulada (mais de sete milhões de átomos)

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Fig. 3 Curva tensão-deformação (a), relação força-volume (e) e imagem de fratura (bd) do teste de tração uniaxial

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Geralmente, o tamanho de grão crítico dc é cerca de 20-30 nm, e a maior deformação para o tamanho de grão (50-100 nm) é determinada principalmente por discordâncias; quando o tamanho de grão é inferior a 30 nm, é dominado principalmente pelo processo de deformação GB, e o tamanho de grão é reduzido. Isso resulta em uma diminuição na resistência e tensão de fluxo, ou seja, um "efeito anti-Hall-Petch". No entanto, a extensa comparação entre potenciais multicorpos e pares usados para modelar GBs em metais fcc e bcc revela que há pouca diferença qualitativa no comportamento previsto por essas diferentes descrições de força, sugerindo que os efeitos multicorpos podem não dominar o comportamento GB.
Bejaud, J. Durinck et ai. usaram simulação de dinâmica molecular para estudar a interação entre gêmeos deformados e interfaces Cu/Ag nanoestruturadas, e analisaram os efeitos da estrutura da interface na nucleação, expansão e espessamento de gêmeos, e explicaram a interface de incompatibilidade. O papel da grade de deslocamento. A Figura 4 mostra a grade de deslocamento parcial de Shockley (destacada por linhas pretas), o padrão triangular (seção branca) e a distribuição de falhas de empilhamento na interface. Entre eles, o átomo é colorido de acordo com o parâmetro de simetria central, o átomo azul está no ambiente FCC perfeito e o átomo vermelho está na falha de empilhamento ou na falha de geminação.
Figura 4 (a) Vista superior dos átomos de Cu e Ag ao longo da interface: (ai) interface COC, (a.ii) interface TO, (b) vista lateral ao longo da direção X = <011>: (bi) em COC No interface e o caso, a região coerente alterna com a região de falha de empilhamento inerente (ISF), (b.ii) a interface TO, e a região de defeito duplo existe continuamente na camada de Cu e na camada de Ag.

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A Figura 5 mostra a curva tensão-deformação e a razão atômica dos gêmeos em função da deformação. Através de análises, eles descobriram que a interface pode induzir direta ou indiretamente a nucleação de discordâncias gêmeas através de discordâncias de Lomer, e como a estrutura da interface heterogênea afeta as diferentes etapas do processo de geminação mecânica, afetando assim a formação de tântalo no Cu/Ag nanoestruturado. O tamanho do cristal. Este método de escala atômica fornece algumas bases teóricas úteis para o processo de geminação mecânica em compósitos em nanoescala.
Figura 5 (a) curva tensão-deformação, (b) razão atômica de gêmeos em função da deformação

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Projetar materiais multicamadas para ajustar as propriedades mecânicas é um tópico importante ao controlar o mecanismo de deformação porque a geminação permite a incorporação de propriedades mecânicas de nanocamadas e materiais nanocristalinos. A este respeito, este estudo fornece a chave para a compreensão do mecanismo da interação de interface dupla e apoia a visão de que as interfaces heterofásicas promovem a geminação.
Para compósitos em camadas de escala ultrafina contendo metais estruturais hcp de baixa simetria, um grande número de heterointerfaces pode efetivamente absorver defeitos como vacâncias e átomos intersticiais causados por irradiação nuclear, e os próprios metais hcp têm baixa densidade, força específica e nos últimos anos , materiais multicamadas hexagonais compostos de Ti, Zr, Mg e outros metais começaram a atrair a atenção das pessoas devido à sua alta rigidez específica e boa condutividade elétrica e térmica. No entanto, em comparação com os metais fcc e bcc com alta simetria da estrutura cristalina, o metal hcp tem baixa capacidade de deformação plástica à temperatura ambiente, o que restringe o uso de materiais compósitos relacionados.
Além da resolução espacial e temporal da escala atômica, a simulação de dinâmica molecular pode descrever o comportamento do modelo de nanocristal idealizado totalmente caracterizado, como estrutura interfacial, força motriz e mecanismo atômico; por outro lado, pode estar em contornos e posições de grão muito altos. O grande comportamento de deformação plástica foi observado na densidade errada. Por exemplo, mecanismo de nucleação de deslocamento, têmpera de contorno de grão, geminação mecânica em Al nanocristalino, redução do tamanho de grão de deslocamento para mecanismo de deformação baseado em contorno de grão, observação de banda de cisalhamento e sua relação de superfície de fratura.
Além disso, na aplicação prática e no processo de pesquisa, o modelo teórico para diferentes descrições e seleções de problemas, a dinâmica desenvolveu muitos ramos teóricos, por exemplo, Jian Han, Spencer L. Thomas da Universidade da Pensilvânia e outros contam com o poder da fronteira A descrição da desconexão resume o conceito de dinâmica de contorno de grão de materiais policristalinos, Zheng Ma et al. estudaram a cinética de precipitação do FeCO3, bem como a cinética de superfície/interface.

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