Aby mikroskopowy system symulacji odzwierciedla? makroskopowe zjawiska eksperymentalne, konieczne jest okresowe replikowanie symulowanego uk?adu obiektów poprzez okresowe warunki brzegowe, aby unikn?? efektów kraw?dziowych, które nie wyst?puj? w praktyce. W zasadzie teoretyczne badanie dowolnego uk?adu molekularnego wymaga rozwi?zania zale?nego od czasu równania Schr?dingera. Jednak w praktyce wi?ksz? uwag? zwraca si? na trajektori? j?dra. Trajektori? tak? mo?na otrzyma? rozwi?zuj?c klasyczne mechaniczne równanie ruchu z wykorzystaniem przybli?enia Borna-Oppenheimera. Alder i Wainwright stwierdzili, ?e eksperymenty symulacyjne komputerowe stan? si? wa?nym pomostem ??cz?cym makroskopowe zjawiska eksperymentalne z mikroskopijn? natur?. Po 10 latach pierwszych eksperymentów symulacyjnych dynamiki molekularnej francuski fizyk Verlet zaproponowa? algorytm ca?kuj?cy równania ruchu Newtona. Jednocze?nie zaproponowano inny zestaw algorytmów generowania i rejestracji par s?siaduj?cych atomów, co znacznie upraszcza obliczenia interakcji mi?dzy atomami. Te dwa algorytmy s? nadal szeroko stosowane w praktyce w niektórych wariantach [1, 2].

W ci?gu ostatnich kilku dziesi?cioleci opracowano ró?norodne metody symulacji na poziomie atomowym, w tym statyk? sieci, dynamik? sieci, metod? Monte Carlo i dynamik? molekularn?. W?ród nich dynamika molekularna jest szczególnie odpowiednia do badania odkszta?ceń plastycznych. Bada zachowanie procesu deformacji w czasie rzeczywistym poprzez rozwi?zanie równania Newtona uk?adu oddzia?ywań atomowych niektórych okre?lonych funkcji potencjalnych oddzia?ywań mi?dzyatomowych i uwzgl?dnia brak uproszczenia sieci. Harmonijno??, nierównomierno?? wysoko?ci napr??eń wewn?trznych i przej?ciowa reakcja uk?adu.

Dynamika molekularna polega g?ównie na mechanice newtonowskiej w celu symulacji ruchu uk?adu molekularnego w celu wydobycia próbek z uk?adów z?o?onych z ró?nych stanów uk?adu molekularnego, a tym samym obliczenia ca?ki konfiguracji uk?adu i dalszego obliczenia uk?adu na podstawie wyników konfiguracji ca?ka. Wielko?ci termodynamiczne i inne w?a?ciwo?ci makroskopowe. Rozwi?zuje równanie ruchu dla uk?adu wieloobiektowego z?o?onego z j?der i elektronów. Jest to metoda obliczeniowa, która mo?e rozwi?za? problem dynamiki systemu wielu kompozycji atomowych. Mo?e nie tylko bezpo?rednio symulowa? makroskopowe cechy ewolucji substancji, ale tak?e zgadza? si? z wynikami badań. Podobne obliczenia mog? równie? zapewni? wyra?ny obraz mikrostruktury, ruchu cz?stek i ich zwi?zku z w?a?ciwo?ciami makroskopowymi, zapewniaj?c pot??ne wsparcie techniczne dla rozwoju nowych teorii i koncepcji.

Przedmiotem dynamiki molekularnej jest uk?ad cz?steczkowy. Interakcja mi?dzy atomami w uk?adzie opisana jest funkcj? potencjaln?. Dlatego prawid?owy wybór rodzaju funkcji potencjalnej i jej parametrów odgrywa wa?n? rol? w wynikach symulacji. W wi?kszo?ci przypadków funkcja energii potencjalnej upraszcza opis deformacji geometrycznej cz?steczki do tego stopnia, ?e stosuje si? tylko prosty sk?adnik harmoniczny i funkcj? trygonometryczn?; zamiast interakcji mi?dzy atomami wi???cymi, u?ywana jest tylko interakcja Coulomba i potencja? Lennarda-Jonesa. Po??czone, aby opisa?. W?ród nich opis si?y oddzia?ywania mi?dzy atomami jest zwykle empiryczny lub pó?empiryczny, co mo?e poprawi? wydajno?? obliczeniow?, ale nie mo?e w pe?ni ujawni? w?a?ciwo?ci wielu wi?zań elektronowych, szczególnie z?o?ono?ci zwi?zanej z jego struktur? i chemi? w s?siedztwo wad. Samozgodna funkcja wariacyjna. Funkcja potencja?u EAM (Embedded-atom model) Daw i Baskws ??czy w pewnym stopniu w?a?ciwo?ci wielu cia? wi?zań elektronicznych.

Wiarygodno?? funkcji potencjalnej zale?y g?ównie od dok?adno?ci parametrów pola si?y, a parametry pola si?y mo?na uzyska? przez dopasowanie eksperymentalnych danych obserwacyjnych i kwantowo mechanicznych danych ab initio. Obecnie najcz??ciej stosowanym polem si?y molekularnej w symulacji biologicznych uk?adów makrocz?steczkowych jest pole si?y CHARMM i pole si?y AMBER, które jest polem si?y molekularnej do wczesnych badań makrocz?steczek biologicznych. Istniej?ce parametry pola si?owego s? ci?gle optymalizowane, a typy obj?tych nimi cz?steczek równie? si? rozszerzaj?. Model gruboziarnisty zyskuje coraz wi?cej uwagi w obliczeniowych badaniach biofizycznych, poniewa? gruboziarniste cz?stki s? zdefiniowane w tym modelu, odpowiadaj?c kilku atomom lub grupom atomowym, a nawet cz?steczkom w modelu wszystkich atomów. Liczba cz?stek w uk?adzie jest zmniejszona, dzi?ki czemu mo?na znacznie poprawi? skal? czasow? i przestrzenn? symulacji, ale szczegó?y atomowe równie? zostan? utracone. Symulacje dynamiki molekularnej oparte na tym modelu s? odpowiednie do badania powolnych zjawisk biologicznych lub zjawisk biologicznych zale?nych od du?ych zespo?ów.

Podstawow? zasad? projektowania podstawowego pola si?y jest minimalizacja narzutu energii obliczeniowej w kroku czasu w celu maksymalizacji skali symulacji. Jest to szczególnie wa?ne w przypadku pe?nego pola si? atomowych, nawet w przypadku tak zwanego modelu gruboziarnistego. W szczególno?ci zasada ta jest niezwykle wa?na, je?li chcesz symulowa? skale czasu w mikrosekundach, a nawet milisekundach.

Rycina 1 pokazuje odwrotn? zale?no?? mi?dzy czasem i przestrzeni? wymiarów dynamiki molekularnej, od lewej do prawej na rysunku: (1) woda, podstawowe sk?adniki komórek; (2) bydl?cy inhibitor trypsyny, enzym, którego ?Zachowanie oddechowe mo?na bada? w skali milisekundowej; (3) rybosomy, z?o?one urz?dzenie biologiczne, które mo?e dekodowa? informacje genetyczne i wytwarza? bia?ka; (4) fioletowe bakteryjne fragmenty b?ony fotosyntetycznej, z 25 milionami atomów, rysunek pokazuje kompleks gromadz?cy ?wiat?o osadzony w dwuwarstwie fosfolipidowej i centrum reakcji fotochemicznej.

Rycina 1 Skala zale?no?ci mi?dzy czasem i przestrzeni? klasycznej dynamiki molekularnej

Wraz z szybkim rozwojem procesorów komputerowych i rozwojem masowo równoleg?ych architektur obliczeniowych, po??czeniem masowo zrównoleglonych lub zastrze?onych technik architektury ze skalowalnymi programami dynamiki molekularnej, symulacje komputerowe wahaj? si? od przemieszczeń do mechanizmów deformacji opartych na granicach ziarna. Ca?y zakres wielko?ci ziaren otwiera nowe mo?liwo?ci eksploracji granic badawczych systemów materia?owych.

Na przyk?ad William Gon?alves i in. wykorzysta? funkcj? potencjaln? Wolf BKS (van Beest, Kramer i van Santen) do opisania interakcji mi?dzy atomami, u?ywaj?c wielkoskalowego symulatora równoleg?o?ci atomowej / molekularnej LAMMPS (Large-Atomic / Molecular Massively Parallel). Symulator) bada? dynamik? molekularn? elastyczno?ci i wytrzyma?o?ci aero?eli krzemionkowych. Wykorzystali algorytm pr?dko?ci-Verleta i krok czasowy 1,0 fs oraz zastosowali okresowe warunki brzegowe we wszystkich trzech kierunkach.

Ryc. 2 to schemat 3D symulowanej próbki o du?ej obj?to?ci ponad 7 000 000 atomów, sekcja próbki o grubo?ci 20 nm i cz??ciowy powi?kszony widok (niebieski to atom tlenu, czerwony to atom krzemu) oraz rysunek 3 (a ) to aero?el 803 nm 3. Próbk? poddano jednoosiowemu testowi rozci?gania w celu uzyskania krzywej napr??enie-odkszta?cenie wynosz?cej 300 K, (bd) jest typowym obrazem p?kania ci?gliwego i (e) logarytmiczn? zale?no?ci? mi?dzy wytrzyma?o?ci? na rozci?ganie a obj?to?ci? próbki. Przeanalizowali, ?e w celu zapewnienia w?a?ciwej oceny w?a?ciwo?ci mechanicznych, takich jak elastyczno??, wielko?? symulowanej próbki jest co najmniej 8 razy wi?ksza od wielko?ci porów, podczas gdy aero?el krzemionkowy o dodatniej wysoko?ci powierzchni wymaga stosunkowo niskiej pr?dko?ci odkszta?cania, aby zapewni? quasi- warunki statyczne.

Ryc. 2 Symulowana próbka aero?elu krzemionkowego (ponad siedem milionów atomów)

Ryc. 3 Krzywa napr??enie-odkszta?cenie (a), zale?no?? si?a-obj?to?? (e) i obraz z?amania (bd) jednoosiowego testu na rozci?ganie

Zasadniczo krytyczny rozmiar ziarna dc wynosi oko?o 20-30 nm, a wi?ksze odkszta?cenie dla rozmiaru ziarna (50-100 nm) jest determinowane g?ównie przez przemieszczenia; gdy rozmiar ziaren jest mniejszy ni? 30 nm, jest on g?ównie zdominowany przez proces deformacji GB, a wielko?? ziaren jest zmniejszona. Powoduje to zmniejszenie si?y i stresu p?yni?cia, tj. ?Efekt przeciw Halla-Petcha”. Jednak obszerne porównanie potencja?ów wielu cia? i par u?ywanych do modelowania GB w metalach fcc i bcc ujawnia, ?e istnieje niewielka ró?nica jako?ciowa w zachowaniu przewidywanym przez te ró?ne opisy si?, co sugeruje, ?e efekty wielu cia? mog? nie dominowa? w zachowaniu GB.

Bejaud, J. Durinck i in. wykorzystano symulacj? dynamiki molekularnej do badania interakcji mi?dzy zdeformowanymi bli?niakami i nanostrukturalnymi interfejsami Cu / Ag, a tak?e przeanalizowano wp?yw struktury interfejsu na zarodkowanie, ekspansj? i pogrubienie bli?niaków oraz wyja?niono interfejs niedopasowania. Rola siatki przemieszczeń. Ryc. 4 pokazuje siatk? cz??ciowego przemieszczenia Shockleya (pod?wietlon? czarnymi liniami), trójk?tny wzór (bia?a sekcja) i rozk?ad b??dów w stosie na interfejsie. Spo?ród nich atom jest zabarwiony zgodnie z centralnym parametrem symetrii, niebieski atom znajduje si? w idealnym ?rodowisku FCC, a czerwony atom jest w b??dzie w stosie lub w bli?niaku.

Rysunek 4 (a) Widok z góry atomów Cu i Ag wzd?u? interfejsu: (ai) interfejs COC, (a.ii) interfejs TO, (b) widok z boku wzd?u? kierunku X = <011>: (bi) w COC W interfejs i przypadek, spójny region naprzemiennie z nieod??cznym regionem b??du stosu (ISF), (b.ii) interfejs TO, a obszar podwójnej defektu ci?gle istnieje w warstwie Cu i warstwie Ag.

Rycina 5 pokazuje krzyw? napr??enie-odkszta?cenie i stosunek atomowy bli?niaków w funkcji odkszta?cenia. Dzi?ki analizie odkryli, ?e interfejs mo?e bezpo?rednio lub po?rednio indukowa? zarodkowanie podwójnych dyslokacji poprzez dyslokacje Lomeru oraz w jaki sposób heterogeniczna struktura interfejsu wp?ywa na ró?ne etapy procesu mechanicznego twinningu, wp?ywaj?c w ten sposób na tworzenie tantalu w nanostrukturalnym Cu / Ag. Wielko?? kryszta?u. Ta metoda w skali atomowej zapewnia przydatne podstawy teoretyczne do mechanicznego procesu twinningu w kompozytach w nanoskali.

Rycina 5 (a) krzywa napr??enie-odkszta?cenie, (b) stosunek atomowy bli?niaków w funkcji odkszta?cenia

Projektowanie materia?ów wielowarstwowych w celu dostosowania w?a?ciwo?ci mechanicznych jest gor?cym tematem przy kontrolowaniu mechanizmu deformacji, poniewa? twinning pozwala na w??czenie w?a?ciwo?ci mechanicznych nanowarstw i materia?ów nanokrystalicznych. W zwi?zku z tym niniejsze badanie stanowi klucz do zrozumienia mechanizmu interakcji podwójnego interfejsu i potwierdza pogl?d, ?e interfejsy heterofazowe promuj? twinning.

W przypadku bardzo drobnych warstwowych kompozytów zawieraj?cych metale strukturalne hcp o niskiej symetrii, du?a liczba heterointerfejsów mo?e skutecznie absorbowa? defekty, takie jak wakaty i atomy ?ródmi??szowe, spowodowane napromieniowaniem j?drowym, a same metale hcp maj? nisk? g?sto??, wytrzyma?o?? w?a?ciw? i W ostatnich latach , sze?ciok?tne materia?y wielowarstwowe sk?adaj?ce si? z Ti, Zr, Mg i innych metali zacz??y przyci?ga? uwag? ludzi ze wzgl?du na ich wysok? sztywno?? w?a?ciw? oraz dobr? przewodno?? elektryczn? i ciepln?. Jednak?e w porównaniu z metalami fcc i bcc o wysokiej symetrii struktury krystalicznej, metal hcp ma s?ab? zdolno?? do odkszta?cania plastycznego w temperaturze pokojowej, co ogranicza stosowanie powi?zanych materia?ów kompozytowych.

Oprócz przestrzennej i czasowej rozdzielczo?ci skali atomowej, symulacja dynamiki molekularnej mo?e opisa? zachowanie w pe?ni scharakteryzowanego idealizowanego modelu nanokryszta?u, takie jak struktura mi?dzyfazowa, si?a nap?dowa i mechanizm atomowy; z drugiej strony mo?e znajdowa? si? na bardzo wysokich granicach i pozycjach ziarna. Du?e odkszta?cenie plastyczne zaobserwowano przy niew?a?ciwej g?sto?ci. Na przyk?ad mechanizm zarodkowania dyslokacji, hartowanie granicy ziarna, bli?niacze mechaniczne w nanokrystalicznym Al, redukcja wielko?ci ziarna z przemieszczenia do mechanizmu deformacji opartej na granicy ziarna, obserwacja pasma ?cinania i jego zale?no?ci powierzchni p?kania.

Ponadto w praktycznym zastosowaniu i procesie badawczym, modelu teoretycznym dla ró?nych opisów i wyborów problemów, dynamika opracowa?a wiele ga??zi teoretycznych, na przyk?ad Jian Han, Spencer L. Thomas z University of Pennsylvania i inni polegaj? na si?a granicy Opis od??czenia podsumowuje poj?cie dynamiki granicy ziarna materia?ów polikrystalicznych, Zheng Ma i in. bada? kinetyk? opadów FeCO3, a tak?e kinetyk? powierzchni / interfejsu.