固体塑性实验室时间尺度的分子动力学模拟概述

随着超级计算机软硬件的飞速提升,基于经验势函数的分子动力学模拟在解析固体塑性的微观机制方面发挥着关键作用.但是,由于传统分子动力学基于牛顿运动方程数值积分,积分时间步长通常为飞秒量级,其模拟的时间尺度通常限于纳秒量级,从而为模拟长时间尺度固体塑性机制带来了巨大的挑战.本文从分子动力学模拟的时间尺度限制切入,介绍目前国际流行的几种实验室时间尺度原子模拟技术,并以晶体位错塑性与非晶态物质扩散和剪切转变塑性为例,阐述实验室时间尺度和原子精度计算机模拟的思想与实施步骤.最后,展望了 目前加速分子动力学方法普遍存在的问题,并提出可能的解决方案.     

机械敏感性离子通道的建模模拟研究

机械敏感性离子通道在多种生理活动中起着极其重要的作用. 至今, 学者对这类通道的研究分析已经长达20 多年. 在实验方面, 大电导率和小电导率机械敏感性离子通道晶体结构的确定, 使人们对机械敏感性离子通道的建模和模拟分析成为可能, 并对这类通道的动力学机理的了解大大深入. 在对离子通道理论研究的过程中, 多种模拟方法和计算手段都展示了各自的优越性和针对性, 这为我们提供了从不同方面认识离子通道的可能性, 但他们也存在着自身的局限性. 特别是, 在众多针对离子通道的理论分析技术当中, 分子动力学模拟的方法尤为突出. 这一技术的出现, 为我们提供了对离子通道结构功能关系以及动力学特性更加全面与细节的描述, 这些都是其他很多技术方法所不能达到的. 另外, 分子动力学模拟又包括多种方法, 不同方法的使用使得我们能从不同切入点研究离子通道不同的特性. 因此在本文中, 我们着眼于对机械敏感性离子通道的计算分析, 特别是分子动力学模拟的应用. 通过对分子动力学模拟的介绍, 我们探讨了机械敏感性离子通道在构象、磷脂环境、机械刺激、电压依赖以及门控开放等方面的动力学机制. 同时对不同模拟技术优劣性的比较将会为我们日后的探索提供更好的研究方法. 最后, 我们也概括了国内近年来在离子通道理论研究方面取得的重大突破和突出成果, 为我们日后深入研究机械敏感性离子通道提供新的思路与启发.     

减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、ζ电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.     

纳米加工过程中金刚石刀具磨损研究的新进展

总结和分析了近几年来国内纳米加工过程中金刚石刀具磨损的研究方法,简要阐述了分子动力学模拟的基本原理及其应用情况,评述了分子动力学等模拟方法在金刚石刀具的热及化学磨损等方面的最新研究进展,指出了目前研究过程中存在的一些问题,以及今后研究中值得注意的几个发展方向.     

减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、$\zeta$电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.      

流体流动的边界滑移问题研究进展

最近十几年来,随着现代微/纳米测试以及分子动力学模拟技术的出现和发展,流体流动的边界滑移问题研究获得了突 飞猛进的发展.边界滑移相关研究大体可分为3个方面: 实验、分子动力学模拟和理论数值分析,前两者主要以发现边界滑移现象、探索边界滑移的产生机理以及各因素对边 界滑移的影响规律为主要研究目的,而后者主要研究边界滑移的物理模型、相关问题的计算方法以及边界滑移对流体系 统流体动力学行为的影响.本文首先简要回顾了液体流动的边界滑移及其相关问题的早期研究历史,随后对边界滑移问题 的研究现状进行了综述,最后展望了该领域今后的研究重点及其应用前景.     

基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.     

飞秒激光辐照铝材料的分子动力学数值模拟

采用大尺度分子动力学方法对飞秒激光辐照金属铝材料的效应进行了数值模拟。利用分子动力学方法给出了飞秒激光辐照后,材料表面发生熔化和喷溅,冷凝后形成一层很薄的多孔介质的物理图像,及产生的应力波传播过程等。数值模拟结果表明分子动力学方法可以用于飞秒激光对材料辐照效应的研究。     

分子动力学模拟的冷冻原子法

通过分析分子动力学过程粒子运动的基本特征，提出分离不同性质、不同量级的原子快运动和慢运动进行模拟的思想，建立了适用于这两种运动弱耦合情况的冷冻原子方法，该方法可使分子动力学模拟收敛速度有明显改善．并能得到更为精确的结果．     

纳米力学的数值模拟方法

纳米力学是一支新兴学科，主要研究100nm以下尺度上物质的行 为和变化规律.物质在纳米尺度上所具有的特殊效应如量子效应、微尺 度效应等导致了其特异的性能和行为.人们对纳米力学行为的认识，目 前主要通过试验观测和数值模拟等方法.本文概要回顾了分子动力学模 拟、蒙特卡罗模拟等纳米力学计算方法的研究进展及现状，提出了以 量子力学为基础、多学科交叉、多层次融合发展纳米力学研究方法的构 思，并对纳米力学研究方法所面临的问题及其发展趋势做了初步展望.     

Method of molecular dynamics in mechanics of deformable solids

The basic principles of the method of molecular dynamics are analyzed. Symplectic difference schemes for the numerical solution of molecular dynamics equations are considered. Stability is studied, and the errors in the energy conservation law, which are induced by using these schemes, are estimated. Equations of mechanics of continuous media are derived by means of averaging over the volume of an atomic system. Expressions for the stress tensor are obtained by using the virial principle and the method of averaging over the volume. The principles of construction of EAM and MEAM potentials of atomic interaction in crystals are analyzed. Two problems of fracture of copper-molybdenum composites are solved by the method of molecular dynamics.     

Substructured molecular dynamics using multibody dynamics algorithms

This paper reports a new research effort aimed at using efficient multibody dynamics methods to simulate coarse-grained molecular systems. Various molecular systems are studied and the results of nanosecond-long simulations are analyzed to validate the method. The systems studied include bulk water, alkane chains, alanine dipeptide and carboxyl terminal fragments of calmodulin, ribosomal L7/L12 and rhodopsin proteins. The stability and validity of the simulations are studied through conservation of energy, thermodynamics properties and conformational analysis. In these simulations, a speed up of an order of magnitude is realized for conservative error bounds with a fixed timestep integration scheme. A discussion is presented on the open-source software developed to facilitate future research using multibody dynamics with molecular dynamics.     

Alignment dynamics of diffusive scalar gradient in a two-dimensional model flow

The Lagrangian two-dimensional approach of scalar gradient kinematics is revisited accounting for molecular diffusion. Numerical simulations are performed in an analytic, parameterized model flow, which enables considering different regimes of scalar gradient dynamics. Attention is especially focused on the influence of molecular diffusion on Lagrangian statistical orientations and on the dynamics of scalar gradient alignment.     

关于湍流拟序结构的思考

本文在简要地回顾了30多年来湍流拟序结构研究的进展之后,评述了目前拟序结构研究的动态。笔者强调准确的湍流场数据库建立的重要性,它是定量描述和研究拟序结构的基础。笔者评述了关于拟序结构目前流行的几种观点和方法,认为应当把研究拟序结构的动力学作为我们研究的目标。笔者深信准确掌握拟序结构的动力学规律,对于预测和控制湍流将有极大的推动。     

基于分子动力学模拟的多晶结构微观热-力耦合行为的计算

基于分子动力学模拟,建立了一套可用于表征微观下多晶结构热-力耦合行为的算法框架。该算法的要点是将连续模型和分子模拟耦合起来,并使守恒定律在微观连续模型和原子层次上都得到满足,与利用传统的连续介质力学建立晶界与晶粒的本构方程相比,本模型中的连续流是通过原子模型准确计算得到的,从而避免了使用经验的本构方程。     

A constrained particle dynamics for continuum-particle hybrid method in micro- and nano-fluidics

A hybrid method of continuum and particle dynamics is developed for micro- and nano-fluidics, where fluids are described by a molecular dynamics (MD) in one domain and by the Navier–Stokes (NS) equations in another domain. In order to ensure the continuity of momentum flux, the continuum and molecular dynamics in the overlap domain are coupled through a constrained particle dynamics. The constrained particle dynamics is constructed with a virtual damping force and a virtual added mass force. The sudden-start Couette flows with either non-slip or slip boundary condition are used to test the hybrid method. It is shown that the results obtained are quantitatively in agreement with the analytical solutions under the non-slip boundary conditions and the full MD simulations under the slip boundary conditions.The project supported by Chinese Academy of Sciences under the innovative project “Multi-scale modelling and simulation in complex system” (KJCX-SW-L08) and National Natural Science Foundation of China (10325211).     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下，高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷，导致材料力学性能严重退化，缩短材料服役寿命，是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度，故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具，近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展，介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷，及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型，深化了学界对辐照效应的认识，有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

An atomistic–continuum hybrid scheme for numerical simulation of droplet spreading on a solid surface

We present an atomistic–continuum hybrid method to investigate spreading dynamics of drops on solid surfaces. The Navier–Stokes equations are solved by the finite-volume method in a continuum domain comprised of the main body of the drop, and atomistic molecular dynamics simulations are used in a particle domain in the vicinity of the contact line. The spatial coupling between the continuum and particle domains is achieved through constrained dynamics of flux continuities in an overlap domain.