分子动力学模拟

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第

卷

年

第月

期

聊城大学学报自然科学版

分子动力学模拟基本原理和主要技术 崔守鑫 ’

胡海泉

肖效光 ,

‘,

黄海军

,

聊城大学物理科学与信息工程学院山东聊城 ,

中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳

摘

要

纷述了分子动力学模拟技术的发展从原子或分子运动的角度出发简要地介绍了分 ,,

子动力学方法的基本理论以及对一些感兴趣量的提取并且还简要地说明了分子动力学的用途以

及与其它方法的结合最后还指出了分子动力学模拟方法本身进一步的研究方向关键词分子动力学有限差分法相互作用势结构分析技米 ,,,

中图分类号

文献标识码 、

文章编号

一

一

一

凝聚态物质的宏观现象是由极大量分子原子的运动和相互作用的反映在本质上都带有统计性质 ,

随着人们对凝聚态物质的微观结构的不断深入了解人们愈加需要从统计角度探讨凝聚态物质的宏观现 ,

象的基本规律寻找内在的联系现在凝聚态理论已经深入到知其所以然的阶段在量子力学和统计力学 ,,

基础上探讨宏观现象和微观结构的本质统计力学是研究凝聚态物质的微观结构和宏观现象的桥梁它的 ,

理论已取得了很大的成就但凝聚态物理问题非常复杂纯粹用解析理论来描述目前尚难以实现随着计 ,,

算机的软硬件和计算技术的长足发展利用计算机对物质的微观结构和运动进行数值模拟计算得到了迅 ,

速发展并在此基础上发展了用数值运算统计求和的方法分子动力学 ,

方法和蒙特卡罗 , 、

方法

这两种方法可以按照原子或分子的排列和运动的模拟以实现宏观物理量的计算不仅可以直接模拟许多物质的宏观凝聚特性得出与实验结果相符合或可比拟的计算结果而且可以提供微观结构粒子运动 , ,

以及它们和物质宏观性质关系的明确图像有利于从中提取新的概念和理论这两种方法又可视为计算 ,

“

机实验 ”

”

,

利用粒子之间的真实相互作用势也可用半经验势计算凝聚态物质的结构和热力学性质从而很 ,,,

方便的对相互作用与宏观性质之间的关系进行考察据此提出有关物理现象的理论从而这种计算机实 ,

“

验建立了理论与实验的桥梁对新的理论和新的实验的建立将起愈来愈大的作用 ,

年世纪

,

和 ,

〕

首先在硬球模型下采用经典 ,,

方法研究气体和液体的状态方程取得了尝试性的成功 ,

由于计算机速度和内存的限制早期模拟的空间尺度和时间尺度都受到很大的限制 ,

年代后期

,

由于计算机技术的飞速发展和多体势函数的提出与发展为分子动力学模拟技术注入了新的活力 年 ,

。

和 ,

田首先将分子动力学模拟应用到了非平衡态的研究进一步扩展了 ,, 、

方法的应用范 ,,

围目前许多在实际实验中无法获得的微观细节而在分子动力学模拟中可以很方便的得到这种优点使得分子动力学模拟在新材料的研究和开发预测材料的介观和宏观性质等领域显得非常重要由此改变了

过去理论计算与实验的关系

分子动力学的运动方程 分子动力学模拟的出发点是假定粒子的运动可以用经典动力学来处理对一个由 ,

个粒子构成的孤 ,

立体系粒子的运动由牛顿运动方程决定也就是 ,,

伙

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式中

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分别为第

国家自然科学基金重点项目收稿日期 一一

、

中国工程物理研究院科学技术基金资助课题

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