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Multi-bodySystem
MolecularDynamics
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引言
物质基本构成—分子、原子
在分子、原子这个微观水平上来考察物质:多体世界
查清楚微观世界,宏观就清楚了
从微观考虑问题的现实可行性
从微观考虑问题的必要性
物性的观测性参数:热传导、温度、压力、粘性、...…
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微观处理的前提
已知微观粒子间的相互作用
假设
分子为球,惰性,分子间的作用只取决于分子间的距离
分子动力学(MolecularDynamics,MD)
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MD的应用
领域:物理、化学、生物、材料等
MD方法能实时将分子的动态行为显示到计算机屏幕上,便于直观了解体系在一定条件下的演变过程
MD含温度与时间,因此还可得到如材料的玻璃化转变温度、热容、晶体结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫(relax)以及体系在外场作用下的变化过程等
水和离子在微小硅孔中的运动
聚乙烯的结晶
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MD的主要步骤
选取要研究的系统及其边界,选取系统内粒子间的作用势能模型
设定系统中粒子的初始位置和初始动量
建立模拟算法,计算粒子间作用力及各粒子的速度和位置
当体系达到平衡后,依据相关的统计公式,获得各宏观参数和输运性质
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刚球模型
斥力力心点模型
Southerland模型
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分子间势能及相互作用
一些气体的参数
kB=23(J/K):Boltzmann常数
Neon
Argon
Krypon
Xenon
Nitrogen
(nm)
/kB(K)
36
171
221
95
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模拟的数学方法
Euler法和Euler-Cromer方法?
不能用:不能保持总能量守恒
Verlet算法:速度形式
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模拟的数学方法
边界条件
模拟能力限制,不能模拟大量分子,只能模拟有限空间中的有限个分子:有限空间边界
固体(刚性)边界条件
不仅仅有分子间的相互作
用,还引入了壁面的作用
分子量大时,壁面作用可
忽略不计
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模拟的数学方法
两个不同粒子在x或y方向上的最大分离距离为a/2
最小像约定:两粒子分离距离>最大分离距离,相互作用力可以忽略,而加入其中像粒子之一相互作用力来考虑
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