{"id":1729,"date":"2019-05-22T02:47:44","date_gmt":"2019-05-22T02:47:44","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-tips-the-basic-principles-and-applications-of-molecular-dynamics\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:05","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:05","slug":"tips-the-basic-principles-and-applications-of-molecular-dynamics","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/dicas-os-principios-basicos-e-aplicacoes-da-dinamica-molecular\/","title":{"rendered":"Dicas: Os princ\u00edpios b\u00e1sicos e aplica\u00e7\u00f5es da din\u00e2mica molecular"},"content":{"rendered":"
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In order for the microscopic simulation system to reflect the macroscopic experimental phenomena, it is necessary to periodically replicate the simulated object system through periodic boundary conditions to avoid edge effects that do not exist in practice. In principle, the theoretical study of any molecular system requires the solution of the time-dependent Schr\u00f6dinger equation. However, in practice, more attention is paid to the trajectory of the nucleus. Such a trajectory can be obtained by solving the classical mechanical equation of motion using the Born-Oppenheimer approximation. Alder and Wainwright have said that computer simulation experiments will become an important bridge connecting macroscopic experimental phenomena and microscopic nature. After 10 years of their first molecular dynamics simulation experiments, French physicist Verlet proposed an integration algorithm for Newton’s equations of motion. At the same time, another set of algorithms for generating and recording pairs of neighboring atoms is proposed, which greatly simplifies the calculation of the interaction between atoms. These two algorithms are still widely used in practice in some variants [1, 2].<\/div>\n
A variety of atomic-level simulation methods have been developed over the past few decades, including lattice statics, lattice dynamics, Monte Carlo, and molecular dynamics. Among them, molecular dynamics is especially suitable for the study of plastic deformation. It studies the real-time behavior of deformation process through the solution of Newton’s equation of the atomic interaction system of some defined interatomic interaction potential functions, and includes the non-simplification of the lattice. Harmonicity, height unevenness of internal stress, and transient response of the system.<\/div>\n
A din\u00e2mica molecular depende principalmente da mec\u00e2nica 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 configura\u00e7\u00e3o do sistema e calculando ainda mais o sistema com base nos resultados da configura\u00e7\u00e3o integrante. Grandezas termodin\u00e2micas e outras propriedades macrosc\u00f3picas. Ele resolve a equa\u00e7\u00e3o de movimento para um sistema multicorpos composto de n\u00facleos e el\u00e9trons. \u00c9 um m\u00e9todo computacional que pode resolver o problema de din\u00e2mica de sistemas de um grande n\u00famero de composi\u00e7\u00f5es at\u00f4micas. Ele pode n\u00e3o apenas simular diretamente as caracter\u00edsticas de evolu\u00e7\u00e3o macrosc\u00f3pica de uma subst\u00e2ncia, mas tamb\u00e9m concordar com os resultados do teste. C\u00e1lculos semelhantes tamb\u00e9m podem fornecer uma imagem clara da microestrutura, movimento de part\u00edculas e sua rela\u00e7\u00e3o com propriedades macrosc\u00f3picas, fornecendo suporte t\u00e9cnico poderoso para o desenvolvimento de novas teorias e conceitos.<\/div>\n
O objeto da din\u00e2mica molecular \u00e9 um sistema de part\u00edculas. A intera\u00e7\u00e3o entre os \u00e1tomos no sistema \u00e9 descrita pela fun\u00e7\u00e3o potencial. Portanto, a sele\u00e7\u00e3o correta do tipo de fun\u00e7\u00e3o potencial e seus par\u00e2metros desempenha um papel importante nos resultados da simula\u00e7\u00e3o. Na maioria dos casos, a fun\u00e7\u00e3o de energia potencial simplifica a descri\u00e7\u00e3o da deforma\u00e7\u00e3o geom\u00e9trica da mol\u00e9cula na medida em que apenas o termo harm\u00f4nico simples e a fun\u00e7\u00e3o trigonom\u00e9trica s\u00e3o usados; em vez da intera\u00e7\u00e3o entre os \u00e1tomos de liga\u00e7\u00e3o, apenas a intera\u00e7\u00e3o de Coulomb e o potencial de Lennard-Jones s\u00e3o usados. Combinado para descrever. Entre eles, a descri\u00e7\u00e3o da for\u00e7a de intera\u00e7\u00e3o entre os \u00e1tomos \u00e9 geralmente emp\u00edrica ou semi-emp\u00edrica, o que pode melhorar a efici\u00eancia computacional, mas n\u00e3o pode revelar completamente as propriedades multicorpos da liga\u00e7\u00e3o eletr\u00f4nica, especialmente as complexidades relacionadas \u00e0 sua estrutura e qu\u00edmica em proximidades dos defeitos. Fun\u00e7\u00e3o variacional autoconsistente. A fun\u00e7\u00e3o potencial EAM (embedded-atom model) de Daw e Baskws combina as propriedades multicorpos da liga\u00e7\u00e3o eletr\u00f4nica at\u00e9 certo ponto.<\/div>\n
A confiabilidade da fun\u00e7\u00e3o potencial depende principalmente da precis\u00e3o dos par\u00e2metros do campo de for\u00e7a, e os par\u00e2metros do campo de for\u00e7a podem ser obtidos ajustando dados de observa\u00e7\u00e3o experimental e dados ab initio de mec\u00e2nica qu\u00e2ntica. Atualmente, o campo de for\u00e7a molecular mais utilizado na simula\u00e7\u00e3o de sistemas macromoleculares biol\u00f3gicos \u00e9 o campo de for\u00e7a CHARMM e o campo de for\u00e7a AMBER, que \u00e9 o campo de for\u00e7a molecular para o estudo inicial de macromol\u00e9culas biol\u00f3gicas. Os par\u00e2metros de campo de for\u00e7a existentes ainda est\u00e3o sendo continuamente otimizados e os tipos de mol\u00e9culas cobertas tamb\u00e9m est\u00e3o se expandindo. O modelo de granula\u00e7\u00e3o grossa vem ganhando cada vez mais aten\u00e7\u00e3o na pesquisa biof\u00edsica computacional, uma vez que part\u00edculas granuladas grosseiras s\u00e3o definidas neste modelo, correspondendo a v\u00e1rios \u00e1tomos ou grupos at\u00f4micos ou mesmo mol\u00e9culas no modelo de todos os \u00e1tomos. O n\u00famero de part\u00edculas no sistema \u00e9 reduzido, de modo que a escala de tempo e espa\u00e7o da simula\u00e7\u00e3o pode ser bastante melhorada, mas os detalhes at\u00f4micos tamb\u00e9m ser\u00e3o perdidos. Simula\u00e7\u00f5es de din\u00e2mica molecular baseadas neste modelo s\u00e3o adequadas para estudar fen\u00f4menos biol\u00f3gicos lentos ou fen\u00f4menos biol\u00f3gicos que dependem de grandes montagens.<\/div>\n
O princ\u00edpio fundamental de projetar um campo de for\u00e7a b\u00e1sico \u00e9 minimizar a sobrecarga de energia computacional em um intervalo de tempo para maximizar a escala de simula\u00e7\u00e3o. Isso \u00e9 especialmente importante para o campo de for\u00e7a at\u00f4mico completo, mesmo para o chamado modelo de granula\u00e7\u00e3o grossa. Em particular, esse princ\u00edpio \u00e9 extremamente importante se voc\u00ea deseja simular escalas de tempo de microssegundos ou mesmo milissegundos.<\/div>\n
A Figura 1 mostra a rela\u00e7\u00e3o inversa entre as dimens\u00f5es de tempo e espa\u00e7o da din\u00e2mica molecular, da esquerda para a direita na figura: (1) \u00e1gua, os componentes b\u00e1sicos das c\u00e9lulas; (2) inibidor de tripsina bovina, uma enzima, que "o comportamento respirat\u00f3rio pode ser examinado em uma escala de milissegundos; (3) ribossomos, um dispositivo biol\u00f3gico complexo que pode decodificar informa\u00e7\u00f5es gen\u00e9ticas e produzir prote\u00ednas; (4) fragmentos de membrana fotossint\u00e9tica bacteriana roxa, com 25 milh\u00f5es de \u00e1tomos, a figura mostra o complexo de capta\u00e7\u00e3o de luz embutido na bicamada fosfolip\u00eddica e no centro de rea\u00e7\u00e3o fotoqu\u00edmica.<\/div>\n
Figura 1 Rela\u00e7\u00e3o de escala entre tempo e espa\u00e7o da din\u00e2mica molecular cl\u00e1ssica<\/div>\n

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Com o r\u00e1pido crescimento dos processadores de computador e o desenvolvimento de arquiteturas de computa\u00e7\u00e3o massivamente paralelas, a combina\u00e7\u00e3o de t\u00e9cnicas de arquitetura massivamente paralelizadas ou propriet\u00e1rias com programas de din\u00e2mica molecular escal\u00e1veis, as simula\u00e7\u00f5es de computador variam de deslocamentos a mecanismos de deforma\u00e7\u00e3o baseados em limites de gr\u00e3os. Toda a gama de tamanhos de gr\u00e3os abre novos caminhos para explorar as fronteiras de pesquisa de sistemas de materiais.<\/div>\n
Por exemplo, William Gon\u00e7alves et al. utilizou a fun\u00e7\u00e3o potencial Wolf BKS (van Beest, Kramer e van Santen) para descrever a intera\u00e7\u00e3o entre os \u00e1tomos, usando o simulador paralelo at\u00f4mico\/molecular de grande escala LAMMPS (Large-scale Atomic\/Molecular Massively Parallel). Simulator) estudou a din\u00e2mica molecular da elasticidade e resist\u00eancia de aerog\u00e9is de s\u00edlica. Eles usaram o algoritmo de velocidade-Verlet e passo de tempo de 1,0 fs, e usaram condi\u00e7\u00f5es de contorno peri\u00f3dicas em todas as tr\u00eas dire\u00e7\u00f5es.<\/div>\n
A Figura 2 \u00e9 um diagrama esquem\u00e1tico 3D de uma amostra de grande volume simulada de mais de 7.000.000 \u00e1tomos e uma se\u00e7\u00e3o de amostra de 20 nm de espessura e uma vis\u00e3o parcial ampliada (azul \u00e9 um \u00e1tomo de oxig\u00eanio, vermelho \u00e9 um \u00e1tomo de sil\u00edcio) e a Figura 3 (a ) \u00e9 um aerogel de 803 nm 3 . A amostra foi submetida a um teste de tra\u00e7\u00e3o uniaxial para obter uma curva tens\u00e3o-deforma\u00e7\u00e3o de 300 K, (bd) \u00e9 uma imagem t\u00edpica de fratura d\u00factil, e (e) uma rela\u00e7\u00e3o logar\u00edtmica entre resist\u00eancia \u00e0 tra\u00e7\u00e3o e volume da amostra. Eles analisaram que, para garantir a avalia\u00e7\u00e3o adequada de propriedades mec\u00e2nicas, como elasticidade, o tamanho da amostra simulada \u00e9 pelo menos 8 vezes o tamanho do poro, enquanto o aerogel de s\u00edlica com uma altura de superf\u00edcie positiva requer uma taxa de deforma\u00e7\u00e3o relativamente baixa para garantir quase condi\u00e7\u00f5es est\u00e1ticas.<\/div>\n
Figura 2 Amostra de aerogel de s\u00edlica simulada (mais de sete milh\u00f5es de \u00e1tomos)<\/div>\n

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Fig. 3 Curva tens\u00e3o-deforma\u00e7\u00e3o (a), rela\u00e7\u00e3o for\u00e7a-volume (e) e imagem de fratura (bd) do teste de tra\u00e7\u00e3o uniaxial<\/div>\n

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Geralmente, o tamanho de gr\u00e3o cr\u00edtico dc \u00e9 cerca de 20-30 nm, e a maior deforma\u00e7\u00e3o para o tamanho de gr\u00e3o (50-100 nm) \u00e9 determinada principalmente por discord\u00e2ncias; quando o tamanho de gr\u00e3o \u00e9 inferior a 30 nm, \u00e9 dominado principalmente pelo processo de deforma\u00e7\u00e3o GB, e o tamanho de gr\u00e3o \u00e9 reduzido. Isso resulta em uma diminui\u00e7\u00e3o na resist\u00eancia e tens\u00e3o de fluxo, ou seja, um "efeito anti-Hall-Petch". No entanto, a extensa compara\u00e7\u00e3o entre potenciais multicorpos e pares usados para modelar GBs em metais fcc e bcc revela que h\u00e1 pouca diferen\u00e7a qualitativa no comportamento previsto por essas diferentes descri\u00e7\u00f5es de for\u00e7a, sugerindo que os efeitos multicorpos podem n\u00e3o dominar o comportamento GB.<\/div>\n
Bejaud, J. Durinck et ai. usaram simula\u00e7\u00e3o de din\u00e2mica molecular para estudar a intera\u00e7\u00e3o entre g\u00eameos deformados e interfaces Cu\/Ag nanoestruturadas, e analisaram os efeitos da estrutura da interface na nuclea\u00e7\u00e3o, expans\u00e3o e espessamento de g\u00eameos, 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 padr\u00e3o triangular (se\u00e7\u00e3o branca) e a distribui\u00e7\u00e3o de falhas de empilhamento na interface. Entre eles, o \u00e1tomo \u00e9 colorido de acordo com o par\u00e2metro de simetria central, o \u00e1tomo azul est\u00e1 no ambiente FCC perfeito e o \u00e1tomo vermelho est\u00e1 na falha de empilhamento ou na falha de gemina\u00e7\u00e3o.<\/div>\n
Figura 4 (a) Vista superior dos \u00e1tomos de Cu e Ag ao longo da interface: (ai) interface COC, (a.ii) interface TO, (b) vista lateral ao longo da dire\u00e7\u00e3o X = <011>: (bi) em COC No interface e o caso, a regi\u00e3o coerente alterna com a regi\u00e3o de falha de empilhamento inerente (ISF), (b.ii) a interface TO, e a regi\u00e3o de defeito duplo existe continuamente na camada de Cu e na camada de Ag.<\/div>\n

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A Figura 5 mostra a curva tens\u00e3o-deforma\u00e7\u00e3o e a raz\u00e3o at\u00f4mica dos g\u00eameos em fun\u00e7\u00e3o da deforma\u00e7\u00e3o. Atrav\u00e9s de an\u00e1lises, eles descobriram que a interface pode induzir direta ou indiretamente a nuclea\u00e7\u00e3o de discord\u00e2ncias g\u00eameas atrav\u00e9s de discord\u00e2ncias de Lomer, e como a estrutura da interface heterog\u00eanea afeta as diferentes etapas do processo de gemina\u00e7\u00e3o mec\u00e2nica, afetando assim a forma\u00e7\u00e3o de t\u00e2ntalo no Cu\/Ag nanoestruturado. O tamanho do cristal. Este m\u00e9todo de escala at\u00f4mica fornece algumas bases te\u00f3ricas \u00fateis para o processo de gemina\u00e7\u00e3o mec\u00e2nica em comp\u00f3sitos em nanoescala.<\/div>\n
Figura 5 (a) curva tens\u00e3o-deforma\u00e7\u00e3o, (b) raz\u00e3o at\u00f4mica de g\u00eameos em fun\u00e7\u00e3o da deforma\u00e7\u00e3o<\/div>\n

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Projetar materiais multicamadas para ajustar as propriedades mec\u00e2nicas \u00e9 um t\u00f3pico importante ao controlar o mecanismo de deforma\u00e7\u00e3o porque a gemina\u00e7\u00e3o permite a incorpora\u00e7\u00e3o de propriedades mec\u00e2nicas de nanocamadas e materiais nanocristalinos. A este respeito, este estudo fornece a chave para a compreens\u00e3o do mecanismo da intera\u00e7\u00e3o de interface dupla e apoia a vis\u00e3o de que as interfaces heterof\u00e1sicas promovem a gemina\u00e7\u00e3o.<\/div>\n
For ultra-fine-scale layered composites containing low-symmetry hcp structural metals, a large number of heterointerfaces can effectively absorb defects such as vacancies and interstitial atoms caused by nuclear irradiation, and hcp metals themselves have low density, specific strength and In recent years, hexagonal multilayer materials composed of Ti, Zr, Mg and other metals have begun to attract people’s attention due to their high specific rigidity and good electrical and thermal conductivity. However, compared with fcc and bcc metals with high crystal structure symmetry, hcp metal has poor room temperature plastic deformation ability, which restricts the use of related composite materials.<\/div>\n
Al\u00e9m da resolu\u00e7\u00e3o espacial e temporal da escala at\u00f4mica, a simula\u00e7\u00e3o de din\u00e2mica molecular pode descrever o comportamento do modelo de nanocristal idealizado totalmente caracterizado, como estrutura interfacial, for\u00e7a motriz e mecanismo at\u00f4mico; por outro lado, pode estar em contornos e posi\u00e7\u00f5es de gr\u00e3o muito altos. O grande comportamento de deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica foi observado na densidade errada. Por exemplo, mecanismo de nuclea\u00e7\u00e3o de deslocamento, t\u00eampera de contorno de gr\u00e3o, gemina\u00e7\u00e3o mec\u00e2nica em Al nanocristalino, redu\u00e7\u00e3o do tamanho de gr\u00e3o de deslocamento para mecanismo de deforma\u00e7\u00e3o baseado em contorno de gr\u00e3o, observa\u00e7\u00e3o de banda de cisalhamento e sua rela\u00e7\u00e3o de superf\u00edcie de fratura.<\/div>\n
Al\u00e9m disso, na aplica\u00e7\u00e3o pr\u00e1tica e no processo de pesquisa, o modelo te\u00f3rico para diferentes descri\u00e7\u00f5es e sele\u00e7\u00f5es de problemas, a din\u00e2mica desenvolveu muitos ramos te\u00f3ricos, por exemplo, Jian Han, Spencer L. Thomas da Universidade da Pensilv\u00e2nia e outros contam com o poder da fronteira A descri\u00e7\u00e3o da desconex\u00e3o resume o conceito de din\u00e2mica de contorno de gr\u00e3o de materiais policristalinos, Zheng Ma et al. estudaram a cin\u00e9tica de precipita\u00e7\u00e3o do FeCO3, bem como a cin\u00e9tica de superf\u00edcie\/interface.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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