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分子模拟引论期末论文
针对Lennard-Jones体系的氩气在不
同温度下的基本特性的研究
——分子模拟引论期末论文
目录
摘要
关键词
引言
简介
方法
结果
小结
致谢
参考文献
摘要：
总体介绍了分子模拟的定义及方法作用，计算了氩在不同温度下分子模拟的性质，并绘图作出结论。
关键词：
分子模拟氩基本特性
引言：
分子模拟简介：
分子模拟是从统计力学基本原理出发，将一定数量的分子输入计算机内进行分子微观结构的测定和宏观性质的计算。
其基本原理为：
用计算机模拟化学体系的微观结构和运动，并用数值运算、统计求和方法对系统的平衡热力学、动力学、非平衡输运等性质进行理论预测。
分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子的动态行为，而且能够精确计算物质的微观参数，如能带结构、布居分布、电子态密度等，可以从微观角度揭示材料的结构与性质的关系，解释物质微观结构和宏观性质的联系，可以模拟现代物理实验方法还无法考察的物理现象与物理过程，从而发展新的理论。
近年来分子模拟技术已经在材料、化学、医药等多个学科得到广泛的应用，如研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题，代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行新材料的设计，也可以缩短新材料研制的周期，降低开发成本。
分子模拟常用软件：
分子模拟软件在最近的十几年中有了长足发展。
目前常用的分子模拟软件主要分为两类，一类是商用版，其中以Gaussian、MaterialsStudio等为代表，这几款软件均已在许多世界著名的化工，材料、医药类跨国公司的产品开发中以及部分学术研究中得到了广泛的应用。
另一类是学术版，尤其在Linux所倡导的GNU规则下，在Internet上有大量的分子模拟软件可供学术研究者免费下载使用。
目前，大部分成熟的商用分子模拟计算软件均集成了上述多种算法，用户只需要了解算法在软件中的使用方法，而不必精通具体的算法，这样用户可以将主要精力放在所研究实际体系的建模、模型修正以及性能计算方面。
分子模拟计算方法：
分子建模是分子模拟的基础。
分子建模方法主要包括调用相关数据库模型、通过相关实验数据进行建模、X射线衍射建模、核磁共振建模等。
常见的材料可以调用相关数据库模型，也可以通过相关的晶体数据库中的空间群表建立模型。
对于结构未知的材料，可以通过X射线衍射图形或者核磁共振图形反推出材料的晶体结构，在MaterialsStudio中的Reflex及ReflexPlus模块，通过材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱，可以帮助确定晶体的结构及进行结构修正等。
分子建模过程是一个动态过程，需要在仿真计算中不断修正，最终达到最为合适的模型。
如最终模拟结果和实验结果相差甚远，那么就需要考虑修正模型，甚至重新建立模型。
由于需要计算出不同温度下材料的介电性能，而在建模时，只能得到基态（0K）时的分子模型，所以首先需要进行分子动力学计算，得到材料在不同温度下的晶体模型和动力学特性，然后才能够计算相关的微观参数。
按照获得微观态的方法不同，分子模拟分为：
蒙特卡罗方法（MonteCarlo,MC）
分子动力学方法（MolecularDynamics,MD）
混合方法（hybridmethod，HM）
氩，非金属元素，元素符号Ar。
氩是单原子分子，单质为无色、无臭和无味的气体。
是稀有气体中在空气中含量最多的一个，由于在自然界中含量很多，氩是目前最早发现的稀有气体。
化学性极不活泼。
简介：
本次研究使用课程提供MD1的针对Lennard-Jones体系的MolecularDynamics模拟的程序研究氩气不同温度下的基本特性。
分子动力学MD（MolecularDynamics）模拟就是用计算机方法来表示统计力学，作为实验的一个辅助手段。
MD模拟用来研究不能用解析方法来解决的复合体系的平衡性质和力学性质，用来搭建理论和实验的一个桥梁，在数学、生物、化学、物理学、材料科学和计算机科学交叉学科占据重要地位。
本次模拟目标如下：
对不同温度下分别截取一个随机的系统构型，并用VMD/Rasmol绘制图像。
在不同温度点计算g（r）,并绘制在同一幅图上进行比较。
绘出平均势能随温度变化的曲线。
计算不同温度下的自扩散系数，并绘制随温度变化的曲线。
本次使用rasmol绘制模型图像，另使用Origin绘制图像。
方法：
首先打开所给模拟程序所在的md文件夹，找到输入文件input-file，并用记事本打开。
输入数据，选择合适的模拟参数。
把开尔文温度（TemperatureinKelvin）设为50，几何步数（numberofstepsafterwhichtoprintgeometry）设为1000，时间步长（lengthoftime-step（infs））设为1。
步骤：
1，运行md.exe。
2，运行后得到fort.12，g-of-r.dat，geom.xyz，vacf.dat四个生成文件，并另行保存。
3，使用rasmol打开geom.xyz，绘制分子分布模型图。
4，读取fort文件中的数据，记录势能一项的所有数据，并取平均值。
5，读取vacf文件中的数据，记录第一行中的扩散系数。
6，读取g_of_r文件中的数据，作图。
再把温度改为100k，重复上述步骤。
再把温度依次改为200k，300k，400k，500k，600k，700k，重复上述步骤。
对步骤4中取得的各个温度下势能的平均值对时间作线图。
对步骤5中取得的各个温度下的扩散系数对时间作图。
结果：
目标一：
对不同温度下分别截取一个随机的系统构型，并用VMD/Rasmol绘制图像。
步骤3所绘图如下：
50k：
100k：
200k：
300k：
400k：
500k：
600k：
700k：
目标二：
在不同温度点计算g（r）,并绘制在同一幅图上进行比较。
把g-of-r文件中数据所作图整合，得下图：
由图可看出随着温度的升高，g（r）最大值不断减小。
目标三：
绘出平均势能随温度变化的曲线。
对步骤4中取得的各个温度下势能的平均值对时间作线图如下：
平均势能随温度升高而升高。
目标四：
计算不同温度下的自扩散系数，并绘制随温度变化的曲线。
扩散系数如下：
温度
扩散系数
50
-0.3466D-06
100
0.5955D-06
200
0.3012D-04
300
0.1781D-04
400
0.4482D-04
500
0.1582D-03
600
-0.3979D-04
700
0.1368D-03
扩散系数对温度作图如下：
小结：
本论文利用老师给的md软件，计算了不同温度下氩的基本特性，并作图比较。
通过这个计算模拟过程，让我更了解了分子模拟的基本过程。
致谢：
参考文献：
成永红，谢小军。
基于分子模拟技术的极端高温条件下材料介电性能的初步研究。
2006
黄世萍。
分子模拟引论课件2013
Frenkel,Smit.分子模拟——从算法到应用.汪文川等译.北京：
化学工业出版社2002
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