[发明专利]一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法及装置

说明书

本发明提供一种用于物质和材料的计算机仿真模拟方法及装置，包括针对待进行计算机仿真模拟的物质和材料，构建一个该物质和材料系统的多粒子模型，用所有粒子的坐标与动量描述系统的微观状态，所述粒子为原子或分子；设置所述多粒子模型中每个粒子的粒子曳步运动度量D，用于描述模型中可以发生的任意微观结构转变过程的反应坐标，设定多粒子模型的初始参考状态；采用多粒子系统的四维扩展Langevin动力学方程组计算物质和材料系统的微观状态随时间演化的情况，该方程组为每个粒子赋予一个额外的动力学量s，s与D以谐振子的方式耦合；根据获取的每个离散时间步下模型中所有粒子的坐标与速度的值，对相应的物质和材料系统进行热力学与动力学分析。

技术领域

本发明属于凝聚态物质和材料学与计算机仿真工程研究领域，特别涉及一种基于多粒子凝聚态系统加速分子动力学模型的计算机数值仿真模拟的技术方案。

背景技术

分子动力学计算机数值仿真模拟方法是目前物质研究领域内的一种最为主要的计算模拟方法，因其能直接仿真模拟给出物质在原子和分子尺度层面上的动力学实时动态过程，被广泛地用在材料、物理、化学、生命科学等物质研究领域。在目前普遍使用的传统分子动力学模拟方法中，其基本原理可描述如下。

对于含有N个粒子(原子或分子)的任意物质和材料的多粒子系统，分子动力学模拟方法一般用所有粒子在三维欧氏空间中的坐标X＝(x₁,x₂,…,x_N)与相应的粒子动量P＝(p₁,p₂,…,p_N)(p_i＝m_iv_i，m_i为粒子i的质量，v_i为粒子i的速度，i∈{1,2,…,N})作为动力学量并构成相空间来描述多粒子系统的任意微观状态，再通过一组特定的动力学方程组来描述多粒子系统的微观状态随时间演化的动力学过程。在传统的分子动力学模拟方法中，常用的动力学方程组包括(参见文献[1])：

A.牛顿动力学(1687年)

F_i＝m_ia_i

B.Langevin动力学(1908年)

C.Nose-Hoover扩展动力学(1984年)

上述公式中，各个符号所对应的物理量分别为：

F—粒子所受作用力(一般为保守力)；

m—粒子的质量；

v—粒子的速度(为粒子在三维欧氏空间中的坐标)；

a—粒子的加速度(x为粒子在三维欧氏空间中的坐标)；

γ—粒子在Langevin动力学假想溶液里的粘滞系数；

T—多粒子系统的热力学温度；

R(t)—白噪声函数；

k_B—Boltzmann常数；

ζ—多粒子系统的Nose动力学扩展变量；

Q—动力学扩展变量ζ对应的质量；

N—系统中所有粒子(原子或分子)的数目。

所有物理量符号中的下标i代表该物理量属于多粒子系统中标号为i的任意某粒子，物理量符号上的单点与双点分别表示对时间求一阶导数和二阶导数。