[發(fā)明專利]一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬探究玻璃體系中各原子擴(kuò)散性質(zhì)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910336838.0
• 申請(qǐng)日: 2019-04-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110021380B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 岳云龍;萬(wàn)向榮;康俊峰;屈雅;石慶順;張路路;趙繼玲;趙金剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C20/30
• 分類號(hào): G16C20/30;G16C10/00
• 代理公司: 濟(jì)南譽(yù)豐專利代理事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 37240
• 代理人: 李茜

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬探究玻璃體系中各原子擴(kuò)散性質(zhì)的方法，包括以下步驟：構(gòu)建無(wú)定形玻璃的盒子模型；對(duì)玻璃盒子模型進(jìn)行幾何優(yōu)化；對(duì)幾何優(yōu)化后的玻璃盒子模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，包括1）高溫弛豫，2）高溫下連續(xù)降溫至低溫，3）低溫弛豫；輸出不同溫度下的構(gòu)象軌跡文件；對(duì)不同溫度下輸出的構(gòu)象軌跡文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輸出不同原子的均方位移分布；根據(jù)愛(ài)因斯坦定律求出不同原子的擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同溫度下玻璃結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合愛(ài)因斯坦定律，解決了實(shí)驗(yàn)手段不能測(cè)試和分析玻璃在不同溫度下原子的擴(kuò)散系數(shù)的問(wèn)題，有助于更加準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)玻璃形成過(guò)程中原子的擴(kuò)散行為，為分析和探究玻璃的微觀結(jié)構(gòu)提供了參考。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于玻璃材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬探究玻璃體系中各原子擴(kuò)散性質(zhì)的方法。

背景技術(shù)

玻璃材料作為工業(yè)建筑中最常用得一種裝飾材料和建筑材料，引起了眾多研究者的興趣。然而，目前大多數(shù)研究者對(duì)于玻璃這種復(fù)雜的多組分氧化物的研究仍然集中在通過(guò)調(diào)控原料來(lái)改良性能，而對(duì)于玻璃的微觀結(jié)構(gòu)卻沒(méi)有過(guò)多的研究和解釋。但是在玻璃的成型過(guò)程中，玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化、析晶情況都對(duì)玻璃的性能有著至關(guān)重要的影響。因此對(duì)于玻璃微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，特別是其在熔融狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)特征的研究非常重要。

隨著科技的進(jìn)步尤其是計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得計(jì)算材料學(xué)逐漸成為科學(xué)研究者的一個(gè)有力的模擬工具。計(jì)算材料學(xué)不僅可以把理論與計(jì)算相互有機(jī)結(jié)合，判定材料的新結(jié)構(gòu)新性質(zhì)，還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)基礎(chǔ)來(lái)重現(xiàn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程，從而大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。在玻璃領(lǐng)域中，研究者通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)玻璃進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD），獲得玻璃體系中各個(gè)原子運(yùn)動(dòng)軌跡的全面信息，進(jìn)而用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法去處理這些數(shù)據(jù)信息便可獲得模型體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化關(guān)系，例如獲得一系列能夠表征玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)，例如徑向分布函數(shù)、均方位移分布、四面體含量、配位數(shù)分布等，通過(guò)這些參數(shù)預(yù)測(cè)玻璃的性質(zhì)，在不斷調(diào)整配方設(shè)計(jì)，優(yōu)化玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到我們的需求。

分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)中的原子由初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，每一瞬間各個(gè)原子的位置都在改變。以為原子i在零時(shí)刻的位矢，為原子i在t時(shí)刻的位矢，粒子位移平方的平均值為均方位移（Mean Square Displacement，MSD）,即MSD=。根據(jù)愛(ài)因斯坦擴(kuò)散定律，均方位移隨時(shí)間的變化表征了液態(tài)原子的擴(kuò)散行為，關(guān)系式為，其中，D為擴(kuò)散系數(shù)，c為常數(shù)。MSD的大小反應(yīng)了原子的活躍程度，MSD越大體系中原子的活躍程度越大，體系的擴(kuò)散系數(shù)D也越大。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上的研究背景，本發(fā)明提供一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬探究玻璃體系中各原子擴(kuò)散性質(zhì)的方法。該方法通過(guò)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，選取適當(dāng)?shù)牧?chǎng)函數(shù)，設(shè)定合理的模擬參數(shù)和方法步驟，直接得到玻璃體系中所求原子的均方位移分布（MSD），通過(guò)與愛(ài)因斯坦定律相結(jié)合，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出各原子的擴(kuò)散系數(shù)，從而為玻璃的性能提供指導(dǎo)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬探究玻璃體系中各原子擴(kuò)散性質(zhì)的方法，包括以下步驟：

步驟一：構(gòu)建無(wú)定形玻璃的盒子模型，并導(dǎo)出結(jié)構(gòu)文件；

步驟二：對(duì)無(wú)定形玻璃的盒子模型進(jìn)行幾何優(yōu)化，并輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)文件；

步驟三：基于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算對(duì)玻璃模型進(jìn)行降溫；

步驟四：基于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算輸出不同溫度下各原子的均方位移（MSD）分布；

步驟五：根據(jù)愛(ài)因斯坦擴(kuò)散定律求出擴(kuò)散系數(shù)。

1. 步驟一中，無(wú)定形玻璃的盒子模型是由Materials Studio軟件AmorphousCell模塊建立的，玻璃的密度設(shè)為2.5-2.7g/cm3，力場(chǎng)類型為pcff。

2. 步驟一中，所采用的玻璃為鈉鈣硅玻璃。