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第二章  研究方法

2。1 分子模拟方法

我们可以通过分子模拟方法探知得到许多没有办法通过一般性实验得到的信息。比如说一些实验成本非常高的实验，再比如说一个实验如果需要在极高的温度和压力下进行，或者一些物质并不能单独使用宏观或者微观的角度来研究，对于这些实验或者物质我们在一般情况下并不能轻易研究。在这些情况下，分子模拟方法就显得非常具有优势。因为它并不需要购买任何价格高昂的设备而是用计算机模拟各种情况下的条件，因为是通过计算机所以可以进行精度比较高的计算。

 一般来说有量子力学方法，分子力学方法，分子动力学方法和分子蒙德卡洛方法这四种分子模拟方法[45]，前面两种方法描述的都是理想情况下绝对零度的分子结构。但是实际情况下的分子模拟并不都是理想情况下的，所以第三种方法分子动力学方法可以描述各种温度的平均结构以及结构的物理变化过程。虽然分子蒙德卡洛方法也可以描述各种温度的平均结构，但是一般都是用来统计平均结构。如果我们需要研究短时间尺度下的结构的时候，分子动力学方法就非常好用。

分子动力学[46]是一个广阔的研究领域。在某些情况下我们会把一个原子看作整体M，在另外一些情况下我们又会把几个原子所形成的一个分子看作是一个整体N，通过势函数可以显示出M和N作用力的形式不一样。所以不同原子、分子系统不一样的地方就在于它们的势函数，建立势函数以后这些问题就会变得非常简单，可以通过牛顿力学来解决。分子动力学指的是使用动力学的观点来研究原子、分子尺度上的问题。

分子动力学(molecular dynamics  MD)模拟方法最初在20世纪50年代的时候兴起。Alder和Wainwright在1957年的时候模拟了惰性气体分子，随后Harp和Berne在Alder和Wainwright的基础上又提出了双原子分子的模拟。1980年，Anderson提出了几种不同的分子动力学模拟方法，Nose等在Anderson提出的理论的基础上又进一步提出了多种方法来改进分子动力学模拟方法。目前分子动力学模拟技术已经发展得比较完善，为了将模拟更好地运用到不同的实际体系中去解决实际问题，所以它的研究方向应该是如何缩短模拟时间、扩大模拟的体系。

    MD模拟计算结果的精确性通过迄今为止发展起来的高性能计算机和新算法等等保证。而且，我们使用分子动力学模拟和传统的实验相结合的手段让分子模拟发挥更大的作用。

    分子动力学计算有一个前提，那就是动力学行为可以用经典牛顿力学来处理。但是牛顿力学的方法怎么能用来描述原子运动的呢？很多人都会认为微观和原子尺度上的问题并不能遵循经典理论而是都应该遵循量子力学。为验证是否可以使用经典力学，我们取德布罗意(de Brogue)热力学波长:

式中 M代表原子质量

     T代表热力学温度。文献综述

经过计算会发现经典理论也适用，因为Si原子原子间的距离远远小于它的德布罗意波长。在第三章节中我们将逐一介绍分子动力学模拟过程中如何建立模型，模型的边界条件如何确定和对应力如何施加等问题。

2。2 分子模拟软件

2。2。1 XMD软件

XMD软件来自于美国康涅狄格州的材料科学研究所（Institute of Materials Science, Connecticut）。这款分子动力学软件能够计算8000~100000原子规模的体系，一般被用来模拟和计算陶瓷或者金属体系的分子动力学系统，它虽然很小巧但是计算速度很快并且我们可以完全免费获得C语言的源程序，这个软件不只有一种版本，它支持在Linux和Windows两种系统上运行。XMD软件的缺点就是在模拟结束以后进行结果分析的软件支持不足，还有它的可视程度也不够好。由于我们只是使用它来建立模型而是使用另一种软件LAMMPS来模拟计算与分析模型，因此可以避开它的缺点。所以我们这里用该软件来建立我们所需要的分子动力学模型。 (责任编辑：qin)