| 标题 | 分子模拟对多尺度材料模型应用 |
| 范文 | 张宏伟 鲁红权 李 煌 陈钦煌 周叶琪 童小宝 摘 要：分子模拟方法能有效地模拟物质微结构层次的体系和状态。对于材料多尺度的分析和其模型的建立，分子模拟被认为是一种关键的技术之一。主要针对多尺度材料模型中的跨尺度统一性和多尺度多层次耦合的问题，阐述一些分子模拟方法在多尺度材料模型宏观以下尺度中的模拟应用。 关键词：分子模拟；多尺度模型；跨尺度；材料 中图分类号：TQ018 文献标志码：A 0 引言 随着技术的不断开发，材料也面向多个方面发展。从材料的物理性质和化学性质，可以分为金属材料、无机非金属材料以及高分子材料。从用途上来说，材料在电子、航空航天、核能、建筑、能源和生物等多个方面应用。不论是材料的物理化学性质，还是结构能源用途，都将涉及到材料在空间和时间跨度的变化体系。 多尺度材料模型（MMM）是一种统一不同尺度的模型，对材料的性质进行多尺度分析的体系。而其体系建立的挑战主要在于跨尺度基础统一性的建立，多尺度 -多层次耦合及尺度间隙，单一尺度内的不连续性，非线性等问题。 本文主要基于分子模拟方法，对多尺度模型的跨尺度基础统一性以及多尺度多层次耦合的问题进行讨论。 1 分子模拟在单尺度材料模型的应用 多尺度材料模型可根據计算材料科学（见表1）分为原子尺度模型、微观尺度模型、介观尺度模型以及宏观尺度模型。 分子模拟通过模拟对象的尺度范围，划分出若干层次，对材料所在的不同尺度模型性质进行模拟研究。在单尺度模型理论体系的建立下，为多尺度模型的跨尺度统一性及多尺度多层次耦合的理论体系提供更多的完善理论。 1.1 原子尺度材料模型 原子尺度材料模型是一种用于模拟材料的原子结构的模型体系。其模拟能体现材料在其他尺度方面无法描述的细节等。 在分子模拟中，量子力学方法是基于量子力学，利用波函数研究微观粒子的运动规律的模拟方法。 从材料性质模拟和预测的角度，量子力学方法可以对构成材料的离子、原子、凝聚态物质进行研究。从理论上说，材料中粒子的受力，材料化学反应中的电子转移问题，原子尺度下的材料表面接触性能等问题都可用于模拟研究。 但对于金属材料、聚合物材料、纳米材料等系统，这些系统不再是做单体粒子研究，需要结合材料在不同环境下的动态行为和热力学性质。对于复杂的体系，量子力学方法适用性较差。为解决这样复杂庞大的体系，这时就要引用出非量子力学方法。 1.2 微观尺度材料模型 微观尺度材料模型是建立在材料的原子或分子结构上，用于联系原子尺度和介质尺度或宏观尺度的中间尺度模型。其模型可以描述三维空间的材料晶体等大分子的动态行为和热力学性质等方面。 在分子模拟中，分子动力学方法、蒙特卡罗方法都是用于计算庞大复杂体系的方式。 分子动力学模拟（MD）是用于研究体系的动态性质的方法。在微观尺度下，材料以分子的形式传递能量，随分子的构造和位置而改变，结合分子力场函数的各种参数，MD能在温度和时间的变量下，研究体系中分子的结构和特性，也能同时分析粒子的受力情况和运动状态。 材料的分析研究中，分子动力学被广泛地应用。单晶铜在冲击载荷下的塑性行为（途中只有缺陷原子可见）。在分子模拟中，可见单晶铜在经历压缩时产生了大量的堆垛层错结构来协调塑性变形。 蒙特卡罗方法（MC）区分MD，在于MD是一种确定性方法，虽然能精确直观地得出体系中的相关性质，但是在一定方面来说，MD模拟体系计算量大。而MC一种随机模拟方法，它借助体系中的分子或原子的随机运动，即事件出现的概率，建立一个概率模型，通过大量试验，统计模型中出现的关于随机变量的数字特征，最后通过计算某些统计参量，得出所求数值的近似值。 在材料微观尺度的实例中，应用了蒙特卡罗方法，对碳纳米材料从纳米金刚石结构转变为类富勒烯结构的过程和其对应的能量变化的模拟。期间，对其过程变化和能量变化都能清晰地展现出来。 1.3 介观尺度材料模型 介观尺度材料模型是将材料分部作为连续或均匀的尸体来描述材料宏观可观测行为。用于研究材料力学性能的模型。 在经典力学处理中，分子在原子细节上得到模拟。这种处理虽然比较精确，但是对于介观尺度下，即是大分子体系（高分子材料，聚合物材料等）或者时间超过1 ms的慢过程（例如自组装过程和慢扩散）却不再适用，对于这样的体系，各种介观尺度的方法得以发展，逐渐形成了一种“粗粒化”方法。 分子模拟中常用粗粒化模拟方法有耗散粒子动力学模拟方法、格子玻耳兹曼方法、场论聚合物模拟方法以及运用Martini力场的介观动力学等方法。 在介观尺度下，以上的几种方法能提供了低尺度方法无法描述的材料性质，用于研究材料的力学性能。但也有一些材料的动力学过程，如裂纹传播，其本质上和原子的运动有关，这些必须和低尺度研究结合。 2 跨尺度关联材料模型 综合上文分子模拟对各个尺度的材料模型的应用，在限定于尺度由上至下的传递要求情况下，通过传递参数或边界条件联系各个尺度的模拟体系，则能完建立跨尺度关联模型。 对于多尺度模型的跨尺度统一性及多尺度多层次耦合的理论体系，跨尺度关联模型能结合小波法、有限元法、多网格法，通过分子模拟将材料在不同尺度上的信息分解重合，在一定程度上反映多尺度耦合。 以实际材料应用为例，过渡金属氧化物表面的有效计算、材料裂纹传播等这种跨时间空间尺度的问题上，都能用跨尺度模型进行模拟研究。 结语 本文介绍了分子模拟在原子尺度的量子力学方法、微观尺度的分子动力学，蒙特卡罗模拟及介观尺度的耗散粒子动力学模拟方法和格子玻耳兹曼方法。结合材料学，表明其在不同的尺度的材料模型中的相关基本概念和相对应的应用领域。 通过分析，表明构建原子分子尺度到宏观尺度的多尺度模型中，分子模拟能对材料在不同尺度下的性质模拟研究，同时能完善其中多尺度模型的跨尺度和多层次耦合理论体系。推动多尺度材料模型的建立，从而对材料科学的兴起，加速材料研发的步骤与缩短其研发周期做出贡献。 参考文献 [1]栾志军.材料的分类及优化检索系统的研究与设计[D].青岛：青岛大学，2011. [2]施思齐，徐积维.多尺度材料计算方法[J].科技导报，2015，33（10）：23. [3]Ding F， Yakobson B I. Energy-driven kinetic montecarlo method and itsapplication in fullerene coalescence[J]. The Journal of PhysicalChemistry Letters， 2014， 5（17）： 2922-2926. [4] 吕玲红.分子模拟在化学工程中的应用[J].化学反应工程与工艺，2014，30（3）：194. |
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