Lời khuyên: Các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng của động lực phân tử

Để hệ mô phỏng vi mô phản ánh được các hiện tượng thực nghiệm vĩ mô, cần phải tái tạo định kỳ hệ đối tượng mô phỏng thông qua các điều kiện biên tuần hoàn để tránh các hiệu ứng biên không tồn tại trong thực tế. Về nguyên tắc, nghiên cứu lý thuyết về bất kỳ hệ thống phân tử nào đều yêu cầu giải phương trình Schrödinger phụ thuộc vào thời gian. Tuy nhiên, trong thực tế, người ta chú ý nhiều hơn đến quỹ đạo của hạt nhân. Một quỹ đạo như vậy có thể thu được bằng cách giải phương trình cơ học cổ điển của chuyển động sử dụng xấp xỉ Born-Oppenheimer. Alder và Wainwright đã nói rằng thí nghiệm mô phỏng trên máy tính sẽ trở thành cầu nối quan trọng nối hiện tượng thí nghiệm vĩ mô và bản chất vi mô. Sau 10 năm thực hiện các thí nghiệm mô phỏng động lực học phân tử đầu tiên, nhà vật lý người Pháp Verlet đã đề xuất một thuật toán tích hợp cho các phương trình chuyển động của Newton. Đồng thời, một bộ thuật toán khác để tạo và ghi lại các cặp nguyên tử lân cận được đề xuất, giúp đơn giản hóa rất nhiều việc tính toán tương tác giữa các nguyên tử. Hai thuật toán này vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế ở một số biến thể [1, 2].

Một loạt các phương pháp mô phỏng cấp độ nguyên tử đã được phát triển trong vài thập kỷ qua, bao gồm tĩnh học mạng tinh thể, động lực học mạng tinh thể, Monte Carlo và động lực học phân tử. Trong số đó, động lực học phân tử đặc biệt phù hợp để nghiên cứu biến dạng dẻo. Nó nghiên cứu hành vi thời gian thực của quá trình biến dạng thông qua giải phương trình Newton của hệ tương tác nguyên tử của một số hàm thế năng tương tác giữa các nguyên tử xác định và bao gồm sự không đơn giản hóa của mạng tinh thể. Tính hài hòa, độ không đồng đều về độ cao của ứng suất bên trong và phản ứng nhất thời của hệ.

Động lực học phân tử chủ yếu dựa vào cơ học Newton để mô phỏng chuyển động của hệ phân tử để lấy mẫu từ các hệ gồm các trạng thái khác nhau của hệ phân tử, từ đó tính toán cấu hình tích phân của hệ, và tiếp tục tính toán hệ thống dựa trên kết quả của cấu hình tích phân. Các đại lượng nhiệt động và các tính chất vĩ mô khác. Nó giải quyết phương trình chuyển động của một hệ thống đa vật bao gồm hạt nhân và electron. Nó là một phương pháp tính toán có thể giải quyết vấn đề động lực học hệ thống của một số lượng lớn các thành phần nguyên tử. Nó không chỉ có thể mô phỏng trực tiếp các đặc điểm tiến hóa vĩ mô của một chất mà còn có thể thống nhất với các kết quả thử nghiệm. Các phép tính tương tự cũng có thể cung cấp hình ảnh rõ ràng về cấu trúc vi mô, chuyển động của hạt và mối quan hệ của chúng với các đặc tính vĩ mô, hỗ trợ kỹ thuật mạnh mẽ cho việc phát triển các lý thuyết và khái niệm mới.

Đối tượng của động lực học phân tử là một hệ thống hạt. Tương tác giữa các nguyên tử trong hệ được mô tả bằng hàm thế. Do đó, việc lựa chọn chính xác loại hàm tiềm năng và các tham số của nó đóng một vai trò quan trọng trong kết quả mô phỏng. Trong hầu hết các trường hợp, hàm thế năng đơn giản hóa việc mô tả biến dạng hình học của phân tử đến mức chỉ sử dụng thuật ngữ điều hòa đơn giản và hàm lượng giác; thay vì tương tác giữa các nguyên tử liên kết, chỉ có tương tác Coulomb và thế Lennard-Jones được sử dụng. Kết hợp để mô tả. Trong số đó, mô tả lực tương tác giữa các nguyên tử thường là thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm, có thể nâng cao hiệu quả tính toán, nhưng không thể bộc lộ hết tính chất đa thể của liên kết electron, đặc biệt là sự phức tạp liên quan đến cấu trúc và hóa học của nó trong vùng lân cận của các khuyết tật. Hàm biến phân tự nhất quán. Chức năng tiềm năng EAM (Mô hình nguyên tử nhúng) của Daw và Baskws kết hợp các đặc tính đa thể của liên kết điện tử ở một mức độ nào đó.

Độ tin cậy của hàm thế phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của các tham số trường lực và các tham số trường lực có thể thu được bằng cách phù hợp với dữ liệu quan sát thực nghiệm và dữ liệu ab ban đầu cơ học lượng tử. Hiện nay, trường lực phân tử được sử dụng rộng rãi nhất trong mô phỏng các hệ đại phân tử sinh học là trường lực CHARMM và trường lực AMBER, là trường lực phân tử để nghiên cứu ban đầu các đại phân tử sinh học. Các thông số trường lực hiện tại vẫn đang được tối ưu hóa liên tục và các loại phân tử được bao phủ cũng đang mở rộng. Mô hình hạt thô ngày càng được chú ý nhiều hơn trong nghiên cứu lý sinh tính toán, vì các hạt thô được xác định trong mô hình này, tương ứng với một số nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử hoặc thậm chí phân tử trong mô hình toàn nguyên tử. Số lượng các hạt trong hệ thống được giảm xuống, do đó quy mô thời gian và không gian của mô phỏng có thể được cải thiện đáng kể, nhưng các chi tiết nguyên tử cũng sẽ bị mất. Mô phỏng động lực học phân tử dựa trên mô hình này thích hợp để nghiên cứu các hiện tượng sinh học chậm hoặc các hiện tượng sinh học phụ thuộc vào các tập hợp lớn.

Nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế trường lực cơ bản là giảm thiểu tổng năng lượng tính toán trong một bước thời gian để tối đa hóa quy mô mô phỏng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với trường lực nguyên tử đầy đủ, ngay cả đối với cái gọi là mô hình hạt thô. Đặc biệt, nguyên tắc này cực kỳ quan trọng nếu bạn muốn mô phỏng quy mô thời gian micro giây hoặc thậm chí mili giây.

Hình 1 cho thấy mối quan hệ nghịch đảo giữa các chiều thời gian và không gian của động lực học phân tử, từ trái sang phải trong hình: (1) nước, thành phần cơ bản của tế bào; (2) chất ức chế trypsin ở bò, một loại enzyme, "Có thể kiểm tra hành vi thở trên thang thời gian mili giây; (3) ribosome, một thiết bị sinh học phức tạp có thể giải mã thông tin di truyền và tạo ra protein; (4) các mảnh màng quang hợp của vi khuẩn màu tím, với 25 triệu nguyên tử, Hình vẽ cho thấy phức hợp thu ánh sáng được nhúng trong lớp kép phospholipid và trung tâm phản ứng quang hóa.

Hình 1 Mối quan hệ tỷ lệ giữa thời gian và không gian của động lực học phân tử cổ điển

Với sự phát triển nhanh chóng của bộ vi xử lý máy tính và sự phát triển của các kiến trúc tính toán song song ồ ạt, sự kết hợp của các kỹ thuật kiến trúc độc quyền hoặc song song ồ ạt với các chương trình động lực học phân tử có thể mở rộng, các mô phỏng máy tính có phạm vi từ sai lệch đến cơ chế biến dạng dựa trên ranh giới hạt. Toàn bộ phạm vi kích thước hạt mở ra con đường mới để khám phá biên giới nghiên cứu của các hệ thống vật liệu.

Ví dụ, William Gonçalves et al. đã sử dụng hàm thế Wolf BKS (van Beest, Kramer và van Santen) để mô tả sự tương tác giữa các nguyên tử, sử dụng bộ mô phỏng song song nguyên tử / phân tử quy mô lớn LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massently Parallel). Simulator) đã nghiên cứu động lực học phân tử về độ đàn hồi và sức mạnh của silica aerogel. Họ đã sử dụng thuật toán vận tốc-Verlet và bước thời gian 1,0 fs, đồng thời sử dụng các điều kiện biên tuần hoàn theo cả ba hướng.

Hình 2 là giản đồ 3D của một mẫu thể tích lớn được mô phỏng gồm hơn 7.000.000 nguyên tử, và phần mẫu dày 20 nm và hình ảnh được phóng to một phần (màu xanh lam là nguyên tử oxy, màu đỏ là nguyên tử silicon) và Hình 3 (a ) là một aerogel 803 nm 3. Mẫu đã được thử độ bền kéo một trục để thu được đường cong ứng suất-biến dạng 300 K, (bd) là hình ảnh đứt gãy dễ uốn điển hình, và (e) mối quan hệ logarit giữa độ bền kéo và khối lượng mẫu. Họ phân tích rằng để đảm bảo đánh giá đúng các đặc tính cơ học như độ đàn hồi, kích thước của mẫu mô phỏng phải nhỏ nhất 8 lần kích thước lỗ, trong khi silica aerogel có chiều cao bề mặt dương yêu cầu tỷ lệ biến dạng tương đối thấp để đảm bảo gần như điều kiện tĩnh.

Hình 2 Mẫu silica aerogel mô phỏng (hơn bảy triệu nguyên tử)

Hình 3: Đường cong ứng suất-biến dạng (a), mối quan hệ sức bền-thể tích (e) và hình ảnh đứt gãy (bd) của thử nghiệm kéo đơn trục

Nói chung, kích thước hạt tới hạn dc là khoảng 20-30 nm, và biến dạng lớn hơn đối với kích thước hạt (50-100 nm) chủ yếu được xác định bởi sự sai lệch; khi kích thước hạt nhỏ hơn 30 nm, nó chủ yếu bị chi phối bởi quá trình biến dạng GB, và kích thước hạt bị giảm. Điều này dẫn đến giảm sức mạnh và ứng suất dòng chảy, tức là "hiệu ứng chống Hall-Petch". Tuy nhiên, so sánh sâu rộng giữa các thế năng nhiều người và cặp được sử dụng để lập mô hình GB trong kim loại fcc và bcc cho thấy rằng có rất ít sự khác biệt về chất trong hành vi được dự đoán bởi các mô tả lực khác nhau này, cho thấy rằng hiệu ứng đa người có thể không chi phối hành vi GB.

Bejaud, J. Durinck và cộng sự. đã sử dụng mô phỏng động lực học phân tử để nghiên cứu sự tương tác giữa các cặp song sinh dị dạng và giao diện Cu / Ag có cấu trúc nano, đồng thời phân tích ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt đối với sự tạo mầm, mở rộng và dày lên của các cặp song sinh, đồng thời giải thích giao diện không phù hợp. Vai trò của lưới lệch trục. Hình 4 cho thấy lưới phân bố một phần Shockley (được đánh dấu bằng các đường màu đen), mô hình tam giác (phần màu trắng) và sự phân bố lỗi xếp chồng tại giao diện. Trong số đó, nguyên tử có màu theo tham số đối xứng trung tâm, nguyên tử màu xanh lam ở trong môi trường FCC hoàn hảo, và nguyên tử màu đỏ nằm trong lỗi xếp chồng hoặc lỗi kết đôi.

Hình 4 (a) Hình chiếu từ trên của các nguyên tử Cu và Ag dọc theo mặt phân cách: (ai) mặt phân cách COC, (a.ii) mặt phân cách TO, (b) mặt bên dọc theo hướng X = <011>: (bi) trong COC Trong giao diện và trường hợp, vùng kết hợp xen kẽ với vùng đứt gãy xếp chồng (ISF) vốn có, (b.ii) giao diện TO, và vùng khuyết tật kép liên tục tồn tại trong lớp Cu và lớp Ag.

Hình 5 cho thấy đường cong ứng suất-biến dạng và tỷ lệ nguyên tử của các cặp song sinh là một hàm của biến dạng. Thông qua phân tích, họ phát hiện ra rằng giao diện có thể trực tiếp hoặc gián tiếp tạo ra sự phân chia đôi thông qua sự chuyển vị Lomer, và cấu trúc giao diện không đồng nhất ảnh hưởng như thế nào đến các bước khác nhau của quá trình kết đôi cơ học, do đó ảnh hưởng đến sự hình thành tantali trong Cu / Ag có cấu trúc nano. Kích thước của tinh thể. Phương pháp quy mô nguyên tử này cung cấp một số cơ sở lý thuyết hữu ích cho quá trình kết đôi cơ học trong vật liệu tổng hợp kích thước nano.

Hình 5 (a) đường cong ứng suất-biến dạng, (b) tỷ lệ nguyên tử của các cặp song sinh như một hàm của biến dạng

Thiết kế vật liệu nhiều lớp để điều chỉnh các đặc tính cơ học là một chủ đề nóng trong khi kiểm soát cơ chế biến dạng vì sự kết đôi cho phép kết hợp các đặc tính cơ học của lớp nano và vật liệu tinh thể nano. Về vấn đề này, nghiên cứu này cung cấp chìa khóa để hiểu cơ chế của tương tác giao diện kép và hỗ trợ quan điểm rằng giao diện dị hướng thúc đẩy kết hợp.

Đối với các vật liệu tổng hợp phân lớp siêu mịn có chứa các kim loại cấu trúc hcp có tính đối xứng thấp, một số lượng lớn các giao diện dị thể có thể hấp thụ hiệu quả các khuyết tật như lỗ trống và các nguyên tử kẽ do bức xạ hạt nhân gây ra và bản thân các kim loại hcp có mật độ, độ bền riêng thấp và trong những năm gần đây , các vật liệu đa lớp hình lục giác bao gồm Ti, Zr, Mg và các kim loại khác đã bắt đầu thu hút sự chú ý của mọi người do độ cứng riêng cao và tính dẫn điện và nhiệt tốt. Tuy nhiên, so với các kim loại fcc và bcc có tính đối xứng cấu trúc tinh thể cao, kim loại hcp có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ phòng kém, điều này hạn chế việc sử dụng các vật liệu composite có liên quan.

Ngoài độ phân giải không gian và thời gian của quy mô nguyên tử, mô phỏng động lực học phân tử có thể mô tả hành vi của mô hình tinh thể nano lý tưởng hóa đầy đủ đặc trưng, chẳng hạn như cấu trúc giao diện, lực dẫn động và cơ chế nguyên tử; mặt khác, nó có thể ở ranh giới và vị trí hạt rất cao. Hành vi biến dạng dẻo lớn được quan sát ở mật độ sai. Ví dụ, cơ chế tạo mầm lệch vị trí, dập tắt ranh giới hạt, kết đôi cơ học trong tinh thể nano Al, giảm kích thước hạt từ sự lệch hướng sang cơ chế biến dạng dựa trên ranh giới hạt, quan sát dải cắt và mối quan hệ bề mặt đứt gãy của nó.

Ngoài ra, trong quá trình ứng dụng và nghiên cứu thực tế, mô hình lý thuyết cho các mô tả và lựa chọn vấn đề khác nhau, động lực học đã phát triển rất nhiều nhánh lý thuyết, ví dụ Jian Han, Spencer L. Thomas của Đại học Pennsylvania và những người khác dựa vào sức mạnh của ranh giới Mô tả sự ngắt kết nối tóm tắt khái niệm về động lực học biên hạt của vật liệu đa tinh thể, Zheng Ma et al. đã nghiên cứu động học kết tủa của FeCO3, cũng như động học bề mặt / bề mặt phân cách.