概述

動力學模擬是一種重要的原子級模擬方法，通過求解原子運動的經典力學牛頓方程對相空間進行採樣，不僅可以研究體系在相空間的演化過程，還可以通過產生的系列結構（系綜）通過統計方法得到體系在非零溫度下的各種性質。 動力學過程中的原子間相互作用力則可以通過多種方法求得，可以是密度泛函理論，也可以是經驗力場。

使用QuantumATK進行材料動力學模擬

  • 可以用多種能量-力計算方法
    • 密度泛函理論（DFT-LCAO 和 DFT-PlaneWave）
    • 半經驗量子力學模型（SemiEmpirical）
    • 經驗力場（Forcefield）

  • 支持多種系綜和理論方法
    • NVE velocity verlet
    • NPT with stress mask
    • NPT/NVT（Berendsen）
    • NPT Melchionna
    • NPT with stress mask
    • Langevin

  • 支持多種動力學方法
    • 平衡態分子動力學
    • 非平衡態分子動力學（RNEMD）計算熱導
    • time-stamped force-bias Monte Carlo長時域的動力學方法
    • Metadyamics（PLUMED）：更快的對能量（自由能）面進行採樣，獲得大範圍的結構-能量信息
    • 自適應動力學蒙特卡羅方法（adaptive kinetic Monte Carlo）：研究結構變化與機理

  • 可控制局域溫度、設定升溫速率
  • 計算過程中分析

QuantumATK：高效的動力學引擎

基於QuantumATK高效的DFT、SE和ForceField計算引擎和MD代碼的優化，分子動力學計算速度有明顯優勢。其中DFT、SE、ForceField均支持MPI大規模並行，並獲得極大的速度提升。

基於DFT的MD計算速度測試結果7056原子的分子動力學（水分子）：在64MPI並行時，第一步MD耗時4分鐘。

3220原子的分子動力學（固體）144MPI進程並行1步耗時約10分鐘。

基於ForceField的MD並行加速測試（1百萬SiO2原子）

DFT+ForceField混合方法動力學

QuantumATK提供更靈活的分子動力學模擬框架，可以在一個動力學模擬過程中混合使用DFT和ForceField。

圖：LiFePO4中Li在外電場下的擴散動力學模擬。考慮電場的同時，DFT的引入可以反映原子電荷在動力學過程中的漲落。

time-stamped force-bias Monte Carlo方法

使用time-stamped force-bias Monte Carlo方法（基於DFT、DFTB、力場）代替普通的分子動力學，可以研究更長時間的平衡、沉積、無定型化、擴散、快速熔化–退火、對罕見事件採樣。模擬過程可以恆定溫度，也可以是線性升溫降溫。
  • 與MD類似，但是原子位移使用Monte Carlo方法採樣
    • 將結構在給定溫度下平衡並採樣（圖：HfO2的fbMC與普通MD的結果比較）

  • 模擬時長可以是傳統MD的100倍（圖：SiO2 的 800 ps fbMC動力學軌跡分析）

  • 與普通MD混合使用（下圖：fbMC恆溫—fbMC降溫—NPT MD恆溫）

Metadynamics（PLUMED）方法

在溫度不太高的情況下，分子動力學過程往往會被局限於（自由能）能量面上的一個局域極小值附近採樣，這大大限制了分子動力學的應用。Metadynamics則是在普通的MD基礎上按一定的模擬時間間隔施加一個人為的勢場，促使研究的體系克服勢壘從一個較深的局域極小附近離開到另外一個局域極小附近。這種方法大大提高了對能量面的採樣的效率。在材料模擬領域，Metadynamics常常用來研究固體的晶態多樣性、固體-液體界面、固體中或表面上的化學反應。下圖：Cu在Cu111表面擴散的能量曲面，圖中顯示擴散過程中的兩個能量極小；擴散過程中原子坐標隨時間的變化。

自適應動力學蒙特卡洛（akMC）方法

akMC將高溫MD與NEB過渡態搜索結合，是另一種研究固體中結構變化（反應、擴散）過程的方法。這些結構變化過程在統計學上是罕見的事件，因此很難用傳統的MD模擬，尤其是與結構變化直接相關的能量面鞍點信息。（圖：akMC原理）

akMC可以得到：
  • 一系列結構變化形成的Markov鏈
  • 結構變化過程中的每步的勢壘和變化速率

具體實例詳見下文的「實例與教程」中的鏈接。

NanoLab：強大易用的圖形界面，讓研究者專註於研究，更快獲得結果

  • 超大體系的顯示和分析
    • 原子數可達百萬級（下圖：230萬Cu原子的多晶結構）

  • 方便的構建各種複雜的結構
    • 分子、塊體、表面、界面、器件建模
    • 詳見: 【NanoLab建模功能介紹】
    • 使用packmol產生初始的分子充填結構
    • 使用經驗力場產生無定形結構

  • 支持直接設置計算（下圖：按模塊設置fbMC或MD計算）

  • 直接由分子動力學軌跡得到體系的各種分布函數和性質
    • 徑向分布函數
    • 速度/動能分布
    • 速度自相關函數
    • 局域質量密度分布
    • 局域應力分析
    • 從MD軌跡計算聲子DOS
    • 配位數分析
    • 角分布函數
    • 均方位移
    • Evolution of average nearest neighbor number with tine
    • 中子散射結構因子
    • 彈性常數（應力-應變曲線）

  • 多種函數重疊作圖
    • 支持柱狀圖、線狀圖

  • 顯示MD模擬過程的原子速度
  • 顯示MD動畫並支持自定義顯示、按幀導出結構，導齣動畫文件

  • 支持導入LAMMPS和VASP的MD結果並進行分析

模擬實例與教程

  • 分子動力學基礎
    • Molecular dynamics: Basics
    • 中文翻譯

  • 模擬氣相沉積薄膜生長
    • Simulating Thin Film Growth via Vapor Deposition
    • 中文翻譯

  • 模擬原子轟擊石墨烯
    • Simulating ion bombardment on graphene sheets
    • 中文翻譯

  • 如何施加單軸和雙軸應力
    • Uniaxial and biaxial stress in silicon

  • 添加、組合、修改經驗力場
    • Adding, Combining, and Modifying Classical Potentials

  • 生成無定形模型
    • Generating Amorphous Structures

  • 缺陷碳納米管的楊氏模量
    • Young』s modulus of a CNT with a defect
    • 中文翻譯

  • 非平衡態分子動力學與界面熱導
    • Interfacial thermal conductance
    • 中文翻譯

  • 液體中擴散現象的分子動力學模擬
    • Diffusion in liquids from molecular dynamics simulations

  • 多晶銅的蠕變
    • Simulating a creep experiment of polycrystalline copper

  • 使用PLUMED Metadynamics模擬銅空位在Cu111中的擴散
    • Metadynamics simulation of Cu vacancy diffusion on Cu(111) – using PLUMED

  • 鋰-硫電池的電壓性質
    • Open-circuit voltage profile of a Li-S battery: ReaxFF molecular dynamics

  • 液體粘度的分子動力學模擬
    • Viscosity in liquids from molecular dynamics simulations

  • 半導體合金中的空位擴散動力學（AKMC方法）
    • Modeling Vacancy Diffusion in Si0.5 Ge0.5 with AKMC

  • Pt表面的島狀結構的形成過程（AKMC方法）
    • Adaptive Kinetic Monte Carlo Simulation of Pt Island Ripening

  • Pt表面原子的擴散
    • Adaptive Kinetic Monte Carlo Simulation of Pt on Pt(100)

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