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分子动力学模拟的主要技术.pdf

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第33卷 第I期 力 学 进 展 Vol.33 No.1 2003年2月25日 ADVANCESIN MECHANICS Feb.25,2003 分子动力学模拟的主要技术 ‘ 文玉华1,2朱如曾,嘀蓄二蔺,王崇愚, 1清华大学物理系,北京 84 2中国科学院力学研究所LNM 100080 J1L0A0c 仍 八 摘 要 综述了分子动力学模拟技术的发展,介绍了分子动力学的基本原理、有关的有限差分技术、势函数的发 展、初始条件和边界条件的选取、平衡态系综及其调控、感兴趣量的提取、分子动力学的特别用途以及与其他计算 方法的结合.最后还指出了分子动力学模拟方法木身讲一步研穷的方向. 关键词 分子动力学,有限差分法,原子间作用势,平衡态系综,结构分析技术 1 引 言 有吸引力,2-Ul.现在每年发表的关于分子动力学模 拟有关的文献达千篇 所谓分子动力学模拟,是指对于原子核和电子 分子动力学模拟虽然不如第一原理模拟精确, 所构成的多体系统,用计算机模拟原子核的运动过 但以程序简单,计算量小,可计算的原子体系大大超 程,井从而计算系统的结构和性质,其中每一原子核 过第一原理等方法,而保持有巨大的发展和应用前 被视为在全部其它原子核和电子所提供的经验势场 景 [10-17].本文将对分子动力学模拟的基本原理和 作用下按牛顿定律运动. 模拟过程进行综述性评论. 1957年,Alder和Wainwright[]首先在硬球 2平衡与非平衡系统分子动力学的过程 模型下,采用分子动力学研究气体和液体的状态方 程,从而开创了利用分子动力学模拟方法研究物质 对于非平衡系统,其分子动力学模拟的过程包 宏观性质的先例.后来,人们对这一方法作了许多改 括初始条件和边界条件的确定、牛顿方程的有限差 进,并运用它对固体及其缺陷以及液体作了大量的研 分求解和作为时间函数的感兴趣量的提取.对于平 究.但由于受计算机速度及内存的限制,早期模拟的 衡系统,其分子动力学模拟的过程与非平衡系统的 空间尺度和时间尺度都受到很大限制.21世纪80年 差别在于感兴趣量及边界条件与时间无关. 代后期,由于计算机技术的飞速发展,加上多体势函 数的提出与发展,为分子动力学模拟技术注入了新的 3牛顿运动方程 活力.分子动力学模拟不仅能得到原子的运动细节, 还能像做实验一样进行各种观察.对于平衡系统,可 在分子动力学中,系统中原子的一系列的位形是 以用分子动力学模拟作适当的时间平均来计算一个 通过对牛顿运动方程积分得到的.通过解牛顿第二定 物理量的统计平均值 对于非平衡系统,发生在一个
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