分子动力学模拟可以用来解决哪些问题
分子动力学可以用于NPT,NVE,NVT等系综的计算,是一种基于牛顿力学确定论的热力学计算方法,可以广泛应用于物理,化学,生物,材料,医学等各个领域.
目前由于计算机性能的限制,其可计算的尺寸还很小,一般计算的粒子数会不会超过5位数,计算的尺寸一般只有几十纳米甚至更小
确定起始构型
进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型,一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础 ,一般分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算.在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成的,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度是恒定的.另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之和为零,即保证体系没有平动位移.
进入平衡相
由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控.
进入生产相
进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能和动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点（理论上,如果模拟时间无限）.计算分析所用样本正是从这个过程中抽取的.
计算结果用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分.
9. 分子动力学模拟的基本原理是什么？如果想模拟宏观材料的性能，是否还可以使用分子动力学模拟方法，
亲[心]9. 分子动力学模拟的基本原理是 Newton 运动方程,通过计算各个分子之间的相互作用力,并根据力和质量计算速度和位移,从而模拟分子集合的运动特性和动力学变化过程。对于宏观材料的性能模拟,分子动力学方法已无法满足需求,应选择其他模拟方法:1) 分子动力学只能模拟包含几万个分子左右的小体积、短时间内的变化,无法达到实际材料的空间和时间尺度,无法直接得到宏观材料性能。2) 分子动力学需要预先设置所有分子的坐标和速度,且需要计算所有分子之间的相互作用,计算量巨大,无法扩展到实际材料所含的海量分子。3) 分子动力学得到的结果受初始状态的影响较大,很难得到可转移的定量结果,不适合研究实际材料性能。 Alternative 方法主要有:1) 孤立体方法。忽略微观尺度的细节,直接研究宏观物理量之间的关系。如弹性体理论等。2) 有限元方法。将连续体离散为有限单元,然后研究各单元之间的关系来得到整体性能。广泛用于工程计算。3) 相场方法。不研究个体,直接建立相属性场的物理方程,得到宏观系统的演化规律。如相变理论、两相流理论等。 4) 自由能方法。通过建立系统自由能函数,研究其极值条件下系统宏观物理量之间的关系。5) 模拟方法。使用更高层次的模拟手段,如蒙特卡罗方法、分子体积方法等,加速分子动力学模拟,扩展到更大空间尺度和时间尺度。所以,在研究宏观材料性能时,应选择离散体方法、相场方法、有限元方法、自由能方法等手段,这可以避开分子动力学的时间空间局限,得到更加宏观和实用的仿真结果。分子动力学方法可作为辅助,验证和深入理解其他方法的结果。【摘要】
9. 分子动力学模拟的基本原理是什么？如果想模拟宏观材料的性能，是否还可以使用分子动力学模拟方法，如果不能使用，应该选择什么其他模拟方法？【提问】
亲[心]9. 分子动力学模拟的基本原理是 Newton 运动方程,通过计算各个分子之间的相互作用力,并根据力和质量计算速度和位移,从而模拟分子集合的运动特性和动力学变化过程。对于宏观材料的性能模拟,分子动力学方法已无法满足需求,应选择其他模拟方法:1) 分子动力学只能模拟包含几万个分子左右的小体积、短时间内的变化,无法达到实际材料的空间和时间尺度,无法直接得到宏观材料性能。2) 分子动力学需要预先设置所有分子的坐标和速度,且需要计算所有分子之间的相互作用,计算量巨大,无法扩展到实际材料所含的海量分子。3) 分子动力学得到的结果受初始状态的影响较大,很难得到可转移的定量结果,不适合研究实际材料性能。 Alternative 方法主要有:1) 孤立体方法。忽略微观尺度的细节,直接研究宏观物理量之间的关系。如弹性体理论等。2) 有限元方法。将连续体离散为有限单元,然后研究各单元之间的关系来得到整体性能。广泛用于工程计算。3) 相场方法。不研究个体,直接建立相属性场的物理方程,得到宏观系统的演化规律。如相变理论、两相流理论等。 4) 自由能方法。通过建立系统自由能函数,研究其极值条件下系统宏观物理量之间的关系。5) 模拟方法。使用更高层次的模拟手段,如蒙特卡罗方法、分子体积方法等,加速分子动力学模拟,扩展到更大空间尺度和时间尺度。所以,在研究宏观材料性能时,应选择离散体方法、相场方法、有限元方法、自由能方法等手段,这可以避开分子动力学的时间空间局限,得到更加宏观和实用的仿真结果。分子动力学方法可作为辅助,验证和深入理解其他方法的结果。【回答】
8. 请结合材料结构与性能之间的关系解释泰坦尼克号轮船沉没的真相。【提问】
泰坦尼克号轮船使用的钢铁材料结构与其沉没之间存在密切关系:1. 泰坦尼克号使用的钢材强度不足以承受船体结构的力。泰坦尼克号使用的钢铁材料强度不足2000MPa,远低于现代高强度钢材,无法提供足以承受船体自重和冲击载荷的强度,导致船体结构损伤。2. 材料脆性断裂使船体结构破损扩展。泰坦尼克号使用的钢材属低塑性的脆性材料,出现裂缝后难以塑性变形缓解应力,导致裂缝急速扩展和结构破损。这与高塑性钢材的缓慢断裂特性不同。 3. 低温环境增加了材料的脆性。当晚海水温度降至冰点以下,这会显著增加钢材的脆性,导致其抗冲击性能急剧降低,更易于在撞击中破裂。这也是船体损伤因环境温度所致。4. 结构设计不合理内在质量过大。泰坦尼克号的结构设计 defective,纵梁和横梁布置不合理,提供的强度不足,而舱内过度装饰和设施又增加了结构内在质量,这使结构强度reserve较小。 5. 船体水密隔舱不足。泰坦尼克船体隔舱不足,撞击破损一处就导致大量涌水,难以控制,这也是其最终完全沉没的重要原因之一。现代轮船船体设有多个水密隔舱以免发生此情况。所以,泰坦尼克号轮船的沉没与其材料结构密切相关,钢材性能不足、低温环境脆性增加、结构设计不合理和水密隔舱不足导致其在撞击中损伤扩展严重并最终沉没。这是一个 “材料与结构设计” 同时作用的失效案例。【回答】
10. 在聚合物复合材料中有时会出现界面倒空效应，请问什么叫界面倒空效应，为什么会出现这种效应，这种效应的出现对复合材料的性能是好事还是坏事？为什么？11. 什么是材料环境协调性设计，其原则是什么？请举具体的材料的例子进行说明。【提问】
1. 界面倒空效应:是指在聚合物基复合材料中,由于聚合物基体与增强颗粒之间的界面的粘结不良,在应力作用下,界面的聚合物基体会被“拉出”,在颗粒与基体之间形成空洞,这种空洞称为倒空。2. 它的产生原因是:聚合物基体与增强颗粒之间的界面粘结强度过低,在应力作用下无法将应力有效地传递给增强颗粒,导致基体材料被拉出,在界面处形成空洞。3. 这种效应的出现对复合材料性能是不利的,因为:(1) 破坏了材料的连续性,降低了机械强度;(2) 降低了基体与增强颗粒之间的应力转移效率; (3) 缩短了材料的疲劳寿命;(4) 降低了材料的断裂韧性。4. 材料环境协调性设计:是指在设计材料或产品时,考虑材料在使用环境下的相容性与协调性,达到较高的使用性能和较长的使用寿命。5. 其原则是:材料的性能应适应使用环境,使用环境不应超出材料的性能范围。如:(1) 高温合金:选用耐高温且抗氧化性好的合金,与高温环境协调;(2) 光学塑料:选用光学性能好而又抗老化的塑料,与光照环境协调; (3) 潜水服材料:选用密度大、防水性好的聚氨酯,与水环境协调;(4) 精密仪器材料:选用低膨胀系数材料,与温度变化小的使用环境协调。所以,材料环境协调性设计是通过选择与使用环境相适应的材料,达到优异的综合性能与较长的使用寿命,这是材料设计的重要原则之一。【回答】
12. 请结合结构与性能之间的关系解释金刚石、石墨、石墨烯之间性能产生的差异。13. 什么是自修复材料？请描述材料实现自修复的具体过程。14. 写出四种不同的计算机模拟方法。如果小明想利用计算机模拟的方法对碳纳米管对聚苯乙烯的吸附过程展开研究，他应该选用什么方法？为什么?15. 目前新能源材料的研究方兴未艾，请介绍一种新能源材料，并说明其相对于传统材料的优点。【提问】
1. 金刚石、石墨、石墨烯的结构差异导致其性能差异:(1) 金刚石: sp3杂化键,三维立方晶格结构,硬度和导热性最大,电导率最小。(2) 石墨: sp2杂化键,二维六方层状结构,硬度和导热性中等,电导率较大。 (3) 石墨烯: sp2杂化键,二维六芒星蜂巢结构,硬度最小,导热性和电导率最大。由此可见,随着维度的降低,杂化键和结构的变化导致三种碳 allotrope 性能产生差异。结构的不同直接关联到其性能表现的差异。2. 自修复材料:是一类智能材料,具有检测受损和启动修复过程的功能,能够修复微小的裂缝或 Defect 并恢复原有性能。3. 其修复过程通常包括:(1) 检测到损伤,如裂缝形成; (2) 损伤处会产生化学反应,填补裂缝; (3) 或释放出修复剂,如微胶囊中的树脂,与空气中的水或其他化学物质反应,产生聚合物修复剂; (4) 修复剂被导入损伤处,包裹住该区域,并产生与基体同样的化学键合或物理相互作用,固化修复破损;(5) 恢复原有的性能和使用寿命。这是一个自动检测与修复的过程,非常智能化。4. 计算机模拟方法:(1) 经典分子动力学模拟;(2) 量子力学方法;(3) 晶体场论;(4) 有限元方法。小明研究碳纳米管对聚苯乙烯的吸附过程,应采用经典分子动力学模拟,因为:(1) 要考虑纳米管与聚合物链的空间构象变化,需要动力学方法;(2) 系统中原子数量较大,不适合量子力学方法; (3) 无需考虑电子结构变化,不需要量子力学方法; (4) 想预测吸附机制和动力学过程,所以选择动力学模拟方法。5. 新能源材料:锂离子电池使用的层状氧化物材料,优点:(1) 高比容量,单位重量能存储更多离子,提高能量密度;(2) 低自放电率,存储效率高; (3) 环境友好,无污染; (4) 成本逐渐降低,可市场化应用,相较传统材料,新能源材料性价比更高,实现可持续发展。所以,结构与性能的对应关系解释了金刚石、石墨、石墨烯之间的差异;自修复材料通过化学反应自动修复损伤;经典分子动力学模拟适于研究纳米管与聚合物的相互作用;新能源材料锂离子电池具有的优点可替代传统材料实现可持续发展【回答】
1. 目前，国家越来越重视环境保护的问题，你觉得在这种时代背景下，这为我国的材料产业的发展提供了哪些发展机遇？【提问】
在当前国家越来越重视环境保护的时代背景下,我国的材料产业有以下几个发展机遇:1. 环保材料的开发与应用。如开发生物降解塑料、可循环利用的复合材料、具有自修复功能的智能材料等,以减少环境污染,实现可持续发展。这为材料产业提供了很大的发展空间。2. 新能源材料的研发与产业化。如太阳能电池材料、锂离子电池材料、储氢材料等,这些新材料的应用可以减少对化石燃料的依赖,推动我国新能源产业的发展,也为材料产业创造更多机会。3. 轻量化材料的开发与应用。开发高强度、高模量的轻质材料,可以应用于交通工具、建筑等领域,达到减重省能的目的,这也为材料产业带来广阔的市场前景。4. 3D打印等新技术的推广。3D打印技术的应用可以实现材料的自定义化生产,减少材料消耗与浪费,这为材料产业的转型升级提供了新的机遇与技术支撑。 5. 绿色生产技术的实现。采用循环化生产、无废生产的新技术新工艺,可以最大限度地回收利用原材料与资源,减少材料生产过程中的污染与排放,这也为材料产业的可持续发展创造条件。所以,当前环境保护理念的盛行为我国材料产业带来许多发展新机遇,如环保材料的开发、新能源材料的应用、轻量化材料的研制、3D打印技术的推广以及绿色生产技术的实现等,这有利于材料产业的转型升级和高质量发展。材料产业应顺应时代发展,抓住机遇,推动产业的绿色发展。【回答】
2. 目前全球资源和环境问题日益突出，你觉得材料产业应该如何应对。【提问】
随着全球资源和环境问题不断加剧，材料产业也面临着诸多挑战。为了应对这些挑战，材料产业可以采取如下措施：1.推广绿色制造：材料产业应该采用绿色制造技术，减少环境污染和资源浪费。例如，采用清洁生产技术，减少废水、废气、废渣等污染物的排放，推广可再生能源的应用，减少能源消耗。2.加强材料回收利用：材料产业应该加强废旧材料的回收利用，降低资源消耗和环境污染。例如，采用循环经济模式，将废旧材料进行回收和再利用，减少对原材料的需求。3.提高材料效能：材料产业应该提高材料的效能，降低资源消耗。例如，采用高效节能的生产设备，提高产品的质量和产量，减少资源的浪费。4.推进绿色设计：材料产业应该推进绿色设计，减少对环境的影响。例如，采用生态设计理念，设计出节能、环保、可持续的产品，降低材料的消耗和污染。5.加强国际合作：材料产业应该加强国际合作，共同应对全球资源和环境问题。例如，加强技术交流和合作，共同研发和推广环保、节能、可持续的材料和产品，促进全球资源和环境的可持续发展。综上所述，材料产业应该采取多种措施，从多个方面入手，应对全球资源和环境问题的挑战。只有通过不断的创新和改进，才能实现可持续发展。【回答】
3. 大家都说材料是人类文明的基石，是二十一世纪的三大发展方向“生物、信息和能源”发展的基础，请具体地介绍一种影响生物技术或者信息技术或者能源技术发展的新材料【提问】
新材料在生物技术、信息技术和能源技术的发展中都扮演着重要的角色。在这里，我将介绍一种影响信息技术发展的新材料——石墨烯。石墨烯是一种由纯碳原子组成的二维材料，它具有许多出色的特性，如高导电性、高热传导性、高强度和轻质等。这些特性使得石墨烯在信息技术领域有着广泛的应用前景。首先，石墨烯的高导电性和高热传导性使其成为制造更快速、更高效的电子器件的理想材料。石墨烯晶体管可以比传统的硅基晶体管更快地开关，从而提高计算机的速度和效率。此外，石墨烯还可以用于制造更快速、更高容量的存储器件，如闪存和硬盘驱动器。其次，石墨烯的高强度和轻质使其成为制造更坚固、更轻便的电子设备的理想材料。石墨烯可以用于制造更坚固的触摸屏和显示器，同时又不会增加设备的重量。此外，石墨烯还可以用于制造更坚固、更轻便的电池和储能设备，从而提高电池的能量密度和使用寿命。最后，石墨烯的高透明度和柔韧性使其成为制造更先进、更灵活的显示器和光学器件的理想材料。石墨烯可以用于制造更薄、更柔韧、更透明的显示器和光学器件，如柔性显示器和太阳能电池等。总之，石墨烯是一种有着广泛应用前景的新材料，它的出色特性使其成为信息技术领域的重要发展方向之一。【回答】
分子动力学模拟怎样设置时间步长和步数
接触分子动力学不久，现在用的是MS软件，说点自己的理解，欢迎批评指正。
time step默认是1fs，它可以理解为多长时间走一步，这个值越小，可能越准确，一般不用调整，除非体系很大，不需要那么精确的一小步一小步的算。
number of steps：模拟步数越大，体系越接近平衡态，但是时间也越长，所以需要在精确度和时间中找个平衡，不是越大就越好，考虑下计算资源。
以上两个值都是要结合实际的计算问题自己试的，也可以参考类似计算的文献，这是最快捷的方法。
非平衡态分子动力学模拟步骤设计，求解，需借阅哪些书籍。
基本步骤：
第一步
即模型的设定，也就是势函数的选取。势函数的研究和物理系统上对物质的描述研究息息相关。最早是硬球势，即小于临界值时无穷大，大于等于临界值时为零。常用的是LJ势函数，还有EAM势函数，不同的物质状态描述用不同的势函数。
模型势函数一旦确定，就可以根据物理学规律求得模拟中的守恒量。
第二步
给定初始条件。运动方程的求解需要知道粒子的初始位置和速度，不同的算法要求不同的初始条件。如：verlet算法需要两组坐标来启动计算，一组零时刻的坐标，一组是前进一个时间步的坐标或者一组零时刻的速度值。
一般意思上讲系统的初始条件不可能知道，实际上也不需要精确选择代求系统的初始条件，因为模拟实践足够长时，系统就会忘掉初始条件。当然，合理的初始条件可以加快系统趋于平衡的时间和步伐，获得好的精度。
常用的初始条件可以选择为：令初始位置在差分划分网格的格子上，初始速度则从玻尔兹曼分布随机抽样得到；令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度为零；令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度也是从玻尔兹曼分布随机抽样得到。
第三步
趋于平衡计算。在边界条件和初始条件给定后就可以解运动方程，进行分子动力学模拟。但这样计算出的系统是不会具有所要求的系统的能量，并且这个状态本身也还不是一个平衡态。
为使得系统平衡，模拟中设计一个趋衡过程，即在这个过程中，我们增加或者从系统中移出能量，直到持续给出确定的能量值。我们称这时的系统已经达到平衡。这段达到平衡的时间成为驰豫时间。
分子动力学中，时间步长的大小选择十分重要，决定了模拟所需要的时间。为了减小误差，步长要小，但小了系统模拟的驰豫时间就长了。因此根据经验选择适当的步长。如，对一个具有几百个氩气Ar分子的体系，lj势函数，发现取h为0.01量级，可以得到很好的相图。这里选择的h是没有量纲的，实际上这样选择的h对应的时间在10-14s的量级呢。如果模拟1000步，系统达到平衡，驰豫时间只有10-11s。
第四步
宏观物理量的计算。实际计算宏观的物理量往往是在模拟的最后阶段进行的。它是沿相空间轨迹求平均来计算得到的（时间平均代替系综平均），具体问题具体分析。
据我所知目前没有以分子动力学为名进行专门介绍的书籍，但是分子模拟的书籍里面对分子动力学的介绍还是比较全面的，你可以参考这类的书籍，目前我知道的台湾中山大学程正隆教授写的书挺不错的，在网上可以下到电子版，希望能帮助到你。
请教平衡分子动力学模拟和非平衡分子动力学模拟的区别
做NEMD的目的都是为了获得一个响应系数（比如电导率，热导率，粘度等等），即对系统施加一个外力A，引起性质B的变化（这时体系处于非平衡态中），求出联系A和B的响应系数C。NEMD的目的就是施加这个扰动A，然后计算体系性质B的变化，从而求出这个响应系数C。
但是，在统计物理中，线性响应系数的获得可以通过线性响应(linear response）这个近似来获得，具体的推导可以在一些涉及非平衡态统计物理的教材中找到。linear response得到的最重要的结论之一就是Green-Kubo relation，它是把这些响应系数写成时间关联函数积分的形式，这些时间关联函数对应的都是平衡态的性质，可以通过平衡态的模拟求得。
