CN110021380A - 一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，包括以下步骤：构建无定形玻璃的盒子模型；对玻璃盒子模型进行几何优化；对几何优化后的玻璃盒子模型进行分子动力学计算，包括1）高温弛豫，2）高温下连续降温至低温，3）低温弛豫；输出不同温度下的构象轨迹文件；对不同温度下输出的构象轨迹文件进行统计分析，输出不同原子的均方位移分布；根据爱因斯坦定律求出不同原子的扩散系数。本发明采用分子动力学方法对不同温度下玻璃结构的统计分析，结合爱因斯坦定律，解决了实验手段不能测试和分析玻璃在不同温度下原子的扩散系数的问题，有助于更加准确的认识玻璃形成过程中原子的扩散行为，为分析和探究玻璃的微观结构提供了参考。

Description

一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的 方法
技术领域
本发明属于玻璃材料领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法。
背景技术
玻璃材料作为工业建筑中最常用得一种装饰材料和建筑材料，引起了众多研究者的兴趣。然而，目前大多数研究者对于玻璃这种复杂的多组分氧化物的研究仍然集中在通过调控原料来改良性能，而对于玻璃的微观结构却没有过多的研究和解释。但是在玻璃的成型过程中，玻璃内部结构的变化、析晶情况都对玻璃的性能有着至关重要的影响。因此对于玻璃微观结构的认识，特别是其在熔融状态时的结构特征的研究非常重要。
随着科技的进步尤其是计算机的发展，使得计算材料学逐渐成为科学研究者的一个有力的模拟工具。计算材料学不仅可以把理论与计算相互有机结合，判定材料的新结构新性质，还可以通过实验参数基础来重现实际的实验模拟过程，从而大大节省实验时间，提高实验效率。在玻璃领域中，研究者通过计算机对玻璃进行分子动力学模拟（MD），获得玻璃体系中各个原子运动轨迹的全面信息，进而用统计学方法去处理这些数据信息便可获得模型体系的结构和性质的变化关系，例如获得一系列能够表征玻璃内部结构的参数，例如径向分布函数、均方位移分布、四面体含量、配位数分布等，通过这些参数预测玻璃的性质，在不断调整配方设计，优化玻璃的内部结构，使其达到我们的需求。
分子动力学计算系统中的原子由初始位置开始运动，每一瞬间各个原子的位置都在改变。以为原子i在零时刻的位矢，为原子i在t时刻的位矢，粒子位移平方的平均值为均方位移（Mean Square Displacement，MSD）,即MSD=。根据爱因斯坦扩散定律，均方位移随时间的变化表征了液态原子的扩散行为，关系式为，其中，D为扩散系数，c为常数。MSD的大小反应了原子的活跃程度，MSD越大体系中原子的活跃程度越大，体系的扩散系数D也越大。
发明内容
针对以上的研究背景，本发明提供一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法。该方法通过采用分子动力学模拟，选取适当的力场函数，设定合理的模拟参数和方法步骤，直接得到玻璃体系中所求原子的均方位移分布（MSD），通过与爱因斯坦定律相结合，可以准确的计算出各原子的扩散系数，从而为玻璃的性能提供指导。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，包括以下步骤：
步骤一：构建无定形玻璃的盒子模型，并导出结构文件；
步骤二：对无定形玻璃的盒子模型进行几何优化，并输出优化后的结构文件；
步骤三：基于分子动力学计算对玻璃模型进行降温；
步骤四：基于分子动力学计算输出不同温度下各原子的均方位移（MSD）分布；
步骤五：根据爱因斯坦扩散定律求出扩散系数。
1. 步骤一中，无定形玻璃的盒子模型是由Materials Studio软件AmorphousCell模块建立的，玻璃的密度设为2.5-2.7g/cm3，力场类型为pcff。
2. 步骤一中，所采用的玻璃为钠钙硅玻璃。
3. 步骤二中，盒子模型的几何优化是由Materials Studio软件的GULP模块进行的，力场类型为Garofalini二体势，电荷由力场分配。
4. 步骤三中，本发明采用连续降温方式，玻璃模型由6000K降温至300K，降温速率为0.38K/步，降温步长为15000步。
5. 步骤三中，玻璃模型在初始的6000K与结束的300K下都进行20-30ps的弛豫，目的为平衡体系，除去体系残余应力。
6. 步骤三中，分子动力学模拟采用的系综为NVT（Number Volume Temperature）系综，步长为1fs，总模拟步数为55000步。
7. 步骤四中，每降温1000K输出体系内各原子的均方位移分布。
8. 步骤四中，均方位移曲线是由公式（1）计算得到
MSD= (1)
式中，为原子i在零时刻的位矢，为原子i在t时刻的位矢。
9. 步骤五中，根据爱因斯坦扩散定律，有关系式，
(2)
式中，D为扩散系数，c为常数，t表示时间，因此，由均方位移曲线的斜率即可求得玻璃的扩散系数。
本发明主要具有下述优点：
本发明提供的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，通过对玻璃成型过程中进行分子动力学模拟，获得玻璃熔体在各个温度下的结构信息（原子的坐标、速度等），得到各个温度下的均方位移分布，进而与理论结合得到在不同温度下玻璃的扩散系数。全程在不通过实际实验的基础上获得所需制备玻璃的扩散系数，大大降低了实验成本，为实际玻璃的生产提高了理论指导。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法做进一步的详细说明：
实施例1
（1）首先确定本次计算机模拟实验的基础配方，选择Na2O-10Al2O3-30SiO2基础组分，根据此基础组分，确定体系内各原子个数：Na 20, Al 200, Si 300, O 910, 总原子个数为1430个。根据本发明提供的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，首先，通过Materials Studio软件的Amorphous Cell模块构建此体系的玻璃模型图。在此步骤中，玻璃的密度定为2.6g/cm3，力场类型为pcff，设定温度为300K。（2）建完模型之后，通过分子动力学软件GULP对构建的玻璃模型进行分子动力学模拟，首先对玻璃体系在NVT（Number Volume Temperature）系综下在3000K下进行20ps的弛豫，去除体系内参与应力，提高模拟的精确度。其次，用GULP软件对构建的玻璃模型进行几何优化，力场类型为Garofalini势函数，电荷由力场分配。接着采用连续降温方式，在NVT系综下将玻璃模型由6000K降温至300K，降温速率为0.38K/步，降温步长为15000步。再次，对300K的玻璃模型进行20ps的弛豫，去除体系内残余应力。再次，输出1000K时体系内Si原子的均方位移分布。最后，根据爱因斯坦定律，计算得到1000K时玻璃体系内Si原子的扩散系数为1.2×10-7cm2/s。将此计算结果与实际实验结果相比较，证明本发明提供的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，可以准确的计算出玻璃体系内各个温度下各原子的扩散系数。（3）以上所述仅为本发明专利的部分应用实例，并非用来限定本发明的实施范围。本发明还有众多实施方式，凡采用等效变换的形式形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：构建无定形玻璃的盒子模型，并导出结构文件；
步骤二：对无定形玻璃的盒子模型进行几何优化，并输出优化后的结构文件；
步骤三：基于分子动力学计算对玻璃模型进行降温；
步骤四：基于分子动力学计算输出不同温度下各原子的均方位移（MSD）分布；
步骤五：根据爱因斯坦扩散定律求出扩散系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤一中，无定形玻璃的盒子模型是由Materials Studio软件Amorphous Cell模块建立的，玻璃的密度设为2.5-2.7g/cm3，力场类型为pcff。
3.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤一中，所采用的玻璃为钠钙硅玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤二中，盒子模型的几何优化是由Materials Studio软件的GULP模块进行的，力场类型为Garofalini二体势，电荷由力场分配。
5.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤三中，玻璃模型由6000K降温至300K，降温速率为0.38K/步，降温步长为15000步。
6.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤三中，玻璃模型在初始的6000K与结束的300K下都进行20-30ps的弛豫，目的为平衡体系，除去体系残余应力。
7.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤三中，分子动力学模拟采用的系综为NVT （Number VolumeTemperature）系综，步长为1fs，总模拟步数为55000步。
8.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤四中，每降温1000K输出体系内各原子的均方位移分布。
9.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤四中，均方位移曲线是由公式（1）计算得到
MSD= (1)
式中，为原子i在零时刻的位矢，为原子i在t时刻的位矢。
10.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，其特征在于，步骤五中，根据爱因斯坦扩散定律，有关系式，
(2)
式中，D为扩散系数，c为常数，t表示时间，因此，由均方位移曲线的斜率即可求得玻璃的扩散系数。
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