İpuçları: Moleküler dinamiklerin temel prensipleri ve uygulamaları

Mikroskobik simülasyon sisteminin makroskobik deneysel olayları yansıtabilmesi için, pratikte mevcut olmayan kenar etkilerinden kaçınmak amacıyla simüle edilmiş nesne sisteminin periyodik sınır koşulları aracılığıyla periyodik olarak kopyalanması gerekir. Prensip olarak herhangi bir moleküler sistemin teorik çalışması zamana bağlı Schrödinger denkleminin çözümünü gerektirir. Ancak pratikte çekirdeğin yörüngesine daha fazla dikkat edilir. Böyle bir yörünge, klasik mekanik hareket denkleminin Born-Oppenheimer yaklaşımı kullanılarak çözülmesiyle elde edilebilir. Alder ve Wainwright, bilgisayar simülasyon deneylerinin, makroskobik deneysel olguları mikroskobik doğayla birleştiren önemli bir köprü haline geleceğini söyledi. Fransız fizikçi Verlet, ilk moleküler dinamik simülasyon deneylerinden 10 yıl sonra, Newton'un hareket denklemleri için bir entegrasyon algoritması önerdi. Aynı zamanda, komşu atom çiftlerinin üretilmesi ve kaydedilmesi için, atomlar arasındaki etkileşimin hesaplanmasını büyük ölçüde basitleştiren başka bir algoritma seti önerilmiştir. Bu iki algoritma pratikte hala bazı değişkenlerde yaygın olarak kullanılmaktadır [1, 2].

Geçtiğimiz birkaç on yılda, kafes statiği, kafes dinamiği, Monte Carlo ve moleküler dinamik dahil olmak üzere çeşitli atomik düzeyde simülasyon yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlar arasında moleküler dinamik özellikle plastik deformasyonun incelenmesi için uygundur. Bazı tanımlanmış atomlar arası etkileşim potansiyeli fonksiyonlarının atomik etkileşim sisteminin Newton denkleminin çözümü yoluyla deformasyon sürecinin gerçek zamanlı davranışını inceler ve kafesin basitleştirilmemesini içerir. Uyumluluk, iç gerilimin yükseklik eşitsizliği ve sistemin geçici tepkisi.

Moleküler dinamikler, moleküler sistemin farklı durumlarından oluşan sistemlerden örnekleri çıkarmak için moleküler sistemin hareketini simüle etmek, böylece sistemin konfigürasyon integralini hesaplamak ve konfigürasyonun sonuçlarına göre sistemi daha fazla hesaplamak için Newton mekaniğine dayanır. İntegral. Termodinamik miktarlar ve diğer makroskopik özellikler. Çekirdek ve elektronlardan oluşan çok gövdeli bir sistem için hareket denklemini çözer. Çok sayıda atomik bileşimin sistem dinamiği problemini çözebilen bir hesaplama yöntemidir. Sadece bir maddenin makroskopik evrim özelliklerini doğrudan simüle etmekle kalmaz, aynı zamanda test sonuçlarına da katılır. Benzer hesaplamalar, mikroyapı, parçacık hareketi ve bunların makroskopik özelliklerle ilişkisi hakkında net bir görüntü sunarak yeni teorilerin ve kavramların geliştirilmesi için güçlü teknik destek sağlar.

Moleküler dinamiklerin amacı bir parçacık sistemidir. Sistemdeki atomlar arasındaki etkileşim, potansiyel fonksiyon ile tanımlanır. Bu nedenle, potansiyel işlev türünün ve parametrelerinin doğru seçimi simülasyon sonuçlarında önemli bir rol oynar. Çoğu durumda, potansiyel enerji fonksiyonu, sadece basit harmonik terim ve trigonometrik fonksiyonun kullanıldığı ölçüde molekülün geometrik deformasyonunun tanımını basitleştirir; bağ atomları arasındaki etkileşim yerine sadece Coulomb etkileşimi ve Lennard-Jones potansiyeli kullanılır. Tarif etmek için kombine. Bunlar arasında, atomlar arasındaki etkileşim kuvvetinin tanımı genellikle hesaplama verimliliğini artırabilen, ancak elektron bağlamanın çok gövdeli özelliklerini, özellikle yapısı ve kimyası ile ilgili karmaşıklıkları tam olarak ortaya koyamayan ampirik veya yarı ampiriktir. kusurların yakınlığı. Kendinden tutarlı varyasyon fonksiyonu. Daw ve Baskws'ın EAM (Gömülü atom modeli) potansiyel işlevi, elektronik bağlamanın çok gövdeli özelliklerini bir ölçüde birleştirir.

Potansiyel fonksiyonun güvenilirliği esas olarak kuvvet alanı parametrelerinin doğruluğuna bağlıdır ve kuvvet alanı parametreleri deneysel gözlem verileri ve kuantum mekanik ab initio verileri takılarak elde edilebilir. Günümüzde biyolojik makromoleküler sistemlerin simülasyonunda en yaygın kullanılan moleküler kuvvet alanı, CHARMM kuvvet alanı ve biyolojik makromoleküllerin erken çalışması için moleküler kuvvet alanı olan AMBER kuvvet alanıdır. Mevcut kuvvet alanı parametreleri halen sürekli olarak optimize edilmektedir ve kapsanan molekül tipleri de genişlemektedir. Kaba taneli model, hesaplamalı biyofiziksel araştırmalarda gittikçe daha fazla dikkat çekmektedir, çünkü bu modelde, birkaç atom veya atom grubuna veya hatta tüm atom modelindeki moleküllere karşılık gelen kaba granül tanecikler tanımlanmıştır. Sistemdeki parçacıkların sayısı azalır, böylece simülasyonun zaman ve uzay ölçeği büyük ölçüde geliştirilebilir, ancak atomik detaylar da kaybolacaktır. Bu modele dayanan moleküler dinamik simülasyonları, yavaş biyolojik olayları veya büyük montajlara bağlı biyolojik olayları incelemek için uygundur.

Temel kuvvet alanı tasarlamanın temel ilkesi, simülasyon ölçeğini en üst düzeye çıkarmak için bir zaman adımında hesaplama enerjisi yükünü en aza indirmektir. Bu özellikle kaba taneli model için bile tam atom kuvveti alanı için önemlidir. Özellikle, mikrosaniye ve hatta milisaniye zaman ölçeklerini simüle etmek istiyorsanız bu ilke son derece önemlidir.

Şekil 1, şekilde soldan sağa moleküler dinamiklerin zaman ve mekan boyutları arasındaki ters ilişkiyi göstermektedir: (1) su, hücrelerin temel bileşenleri; (2) "Nefes alma davranışı milisaniyelik bir zaman diliminde incelenebilen sığır tripsin inhibitörü; (3) genetik bilgiyi çözebilen ve protein üretebilen kompleks bir biyolojik cihaz olan ribozomlar; (4) mor bakteriyel fotosentetik membran fragmanları, 25 milyon atomlu, şekil fosfolipid iki tabakalı ve fotokimyasal reaksiyon merkezine gömülü olan hafif hasat kompleksini göstermektedir.

Şekil 1 Klasik moleküler dinamiklerin zaman ve mekan arasındaki ölçek ilişkisi

Bilgisayar işlemcilerinin hızlı büyümesi ve büyük ölçüde paralel bilgi işlem mimarilerinin geliştirilmesi ile, büyük ölçüde paralelleştirilmiş veya tescilli mimari tekniklerin ölçeklenebilir moleküler dinamik programları ile kombinasyonu, bilgisayar simülasyonları çıkıklardan tane sınırına dayalı deformasyon mekanizmalarına kadar uzanmaktadır. Tüm tane boyutları yelpazesi, malzeme sistemlerinin araştırma sınırlarını keşfetmek için yeni yollar açar.

Örneğin, William Gonçalves ve ark. büyük ölçekli atomik / moleküler paralel simülatör LAMMPS (Büyük ölçekli Atomik / Moleküler Kütle Paralel) kullanarak, atomlar arasındaki etkileşimi tanımlamak için Wolf BKS (van Beest, Kramer ve van Santen) potansiyel fonksiyonunu kullandı. Simülatör) silika aerojellerin elastikiyet ve mukavemetinin moleküler dinamiğini inceledi. Hız Verlet algoritmasını ve 1.0 fs zaman adımını kullandılar ve üç yönde de periyodik sınır koşulları kullandılar.

Şekil 2, 7.000.000 atomdan fazla simüle edilmiş büyük hacimli bir numunenin ve 20 nm kalınlığındaki bir numune kesitinin ve kısmi büyütülmüş bir görünümün (mavi bir oksijen atomudur, kırmızı bir silikon atomudur) 3D bir şematik diyagramdır ve Şekil 3 (a ) bir 803 nm3 aerojeldir. Numune, 300 K'lık bir gerilim-gerinim eğrisi elde etmek için tek eksenli bir gerilme testine tabi tutuldu, (bd) tipik bir sünek kırılma görüntüsü ve (e) gerilme mukavemeti ve numune hacmi arasında logaritmik bir ilişki. Elastikiyet gibi mekanik özelliklerin doğru değerlendirilmesini sağlamak için, simüle edilmiş numunenin boyutunun gözenek boyutunun en az 8 katı olduğunu, pozitif yüzey yüksekliğine sahip silika aerojel, statik koşullar.

Şekil 2 Simüle edilmiş silika aerojel örneği (yedi milyondan fazla atom)

Şekil 3 Tek eksenli çekme testinin gerilme-şekil değiştirme eğrisi (a), kuvvet-hacim ilişkisi (e) ve kırık görüntüsü (bd)

Genel olarak, kritik tane boyutu dc yaklaşık 20-30 nm'dir ve tane boyutu (50-100 nm) için daha büyük deformasyon esas olarak çıkıklarla belirlenir; tane boyutu 30 nm'den az olduğunda, esas olarak GB deformasyon sürecine baskındır ve tane boyutu azalır. Bu, güç ve akış stresinde bir azalmaya, yani bir "Hall-Petch etkisi" ne neden olur. Bununla birlikte, fcc ve bcc metallerinde GB'leri modellemek için kullanılan çok gövdeli ve çift potansiyeller arasındaki kapsamlı karşılaştırma, bu farklı kuvvet tanımları tarafından öngörülen davranışta çok az niteliksel fark olduğunu ortaya koymaktadır ve bu da çok gövdeli etkilerin GB davranışına baskın olamayabileceğini düşündürmektedir.

Bejaud, J. Durinck ve ark. deforme olmuş ikizler ve nanoyapılı Cu / Ag arayüzleri arasındaki etkileşimi incelemek için moleküler dinamik simülasyonu kullandı ve arayüz yapısının ikizlerin çekirdeklenmesi, genişlemesi ve kalınlaşması üzerindeki etkilerini analiz etti ve uyumsuzluk arayüzünü açıkladı. Çıkık ızgarasının rolü. Şekil 4, Shockley kısmi çıkık ızgarasını (siyah çizgilerle vurgulanmıştır), üçgen deseni (beyaz bölüm) ve arabirimdeki istifleme hatası dağılımını gösterir. Bunlar arasında, atom merkezi simetri parametresine göre renklendirilir, mavi atom mükemmel FCC ortamındadır ve kırmızı atom istifleme hatası veya eşleştirme arızasındadır.

Şekil 4 (a) Arayüz boyunca Cu ve Ag atomlarının üstten görünümü: (ai) COC arayüzü, (a.ii) TO arayüzü, (b) X = <011> yönü boyunca yan görünüm: (bi) COC'de uyumlu bölge, içsel istifleme hatası (ISF) bölgesi, (b.ii) TO arabirimi ile dönüşümlü olarak bulunur ve çift kusur bölgesi sürekli olarak Cu katmanında ve Ag katmanında bulunur.

Şekil 5, gerilimin bir fonksiyonu olarak ikizlerin gerilme-şekil değiştirme eğrisini ve ikizlerin atomik oranını göstermektedir. Analiz yoluyla, arayüzün Lomer çıkıkları yoluyla ikiz çıkıkların çekirdeklenmesini doğrudan veya dolaylı olarak indükleyebildiğini ve heterojen arayüz yapısının mekanik eşleştirme işleminin farklı adımlarını nasıl etkilediğini, böylece nano-yapılandırılmış Cu / Ag'de tantal oluşumunu nasıl etkilediğini buldular. Kristalin boyutu. Bu atom ölçeği yöntemi, nano ölçekli kompozitlerde mekanik eşleştirme işlemi için bazı yararlı teorik temeller sağlar.

Şekil 5 (a) gerilim-gerinim eğrisi, (b) gerinmenin bir fonksiyonu olarak ikizlerin atomik oranı

Deformasyon mekanizmasını kontrol ederken mekanik özellikleri ayarlamak için çok katmanlı malzemeler tasarlamak sıcak bir konudur, çünkü eşleştirme nano katmanların ve nanokristalin malzemelerin mekanik özelliklerinin eklenmesine izin verir. Bu bağlamda, bu çalışma ikili arayüz etkileşiminin mekanizmasını anlamak için anahtar sağlar ve heterofazik arayüzlerin eşleştirmeyi teşvik ettiği görüşünü destekler.

Düşük simetrili hcp yapısal metalleri içeren ultra ince ölçekli katmanlı kompozitler için, çok sayıda heteroara yüzey, nükleer ışınlamanın neden olduğu boşluklar ve ara atomlar gibi kusurları etkili bir şekilde absorbe edebilir ve hcp metallerinin kendileri düşük yoğunluğa, spesifik dayanıklılığa sahiptir ve son yıllarda Ti, Zr, Mg ve diğer metallerden oluşan altıgen çok katmanlı malzemeler, yüksek özgül sertlikleri ve iyi elektrik ve ısı iletkenlikleri nedeniyle insanların ilgisini çekmeye başlamıştır. Bununla birlikte, kristal yapı simetrisi yüksek olan fcc ve bcc metalleriyle karşılaştırıldığında, hcp metalinin oda sıcaklığında zayıf plastik deformasyon kabiliyeti vardır ve bu da ilgili kompozit malzemelerin kullanımını kısıtlar.

Atomik ölçeğin uzamsal ve zamansal çözünürlüğüne ek olarak, moleküler dinamik simülasyonu, arayüzey yapı, itici güç ve atomik mekanizma gibi tamamen karakterize edilmiş ideal nanokristal modelin davranışını; Öte yandan, çok yüksek tane sınırları ve pozisyonlarında olabilir. Büyük plastik deformasyon davranışı yanlış yoğunlukta gözlendi. Örneğin, dislokasyon çekirdekleşme mekanizması, tane sınırı söndürme, nanokristalin Al'de mekanik eşleştirme, tane boyutunun dislokasyondan tane sınırına bağlı deformasyon mekanizmasına indirgenmesi, kesme bandının gözlemlenmesi ve kırılma yüzeyi ilişkisi.

Buna ek olarak, pratik uygulama ve araştırma sürecinde, farklı problem tanımları ve seçimleri için teorik model, dinamikler çok sayıda teorik dal geliştirmiştir, örneğin, Pennsylvania Üniversitesi'nden Jian Han, Spencer L. Thomas ve diğerleri sınırın gücü Bağlantı kopmasının tanımı, polikristalin malzemelerin tane sınır dinamiği kavramını özetler, Zheng Ma ve ark. yüzey / arayüz kinetiğinin yanı sıra FeCO3'ün çökelme kinetiğini inceledi.