Моделирование физических процессов методом молекулярной динамики. Учебное пособие
.pdf
7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований
векторы Вайнберга. Фильтры для нескольких распространенных структур можно получить на сайте VoroTop [30]. Модификатор вычисляет топологию ячейки Вороного для каждой частицы, использует предоставленный фильтр для определения типа структуры и сохраняет результаты в свойстве частицы Тип структуры. Это позволяет пользователю впоследствии выбирать частицы определенного структурного типа, например, с помощью модификатора Select type. Модификатор VoroTop требует доступа ко всему набору входных частиц для выполнения анализа, и поэтому его следует размещать в начале конвейера обработки перед любыми модификаторами, удаляющими частицы.
•Построение поверхностной сетки (Construct Surface Mesh) – со-
здает треугольную сетку, представляющую поверхность твердого тела. Этот модификатор создает поверхностное представление трехмерной формы, образованной набором частиц. Таким образом, он может генерировать геометрическое описание внешней и внутренней границ атомистического твердого тела в терминах триангулированной поверхностной сетки. Помимо целей визуализации, геометрическое описание поверхности также полезно для количественных измерений площади поверхности, объема и пористости атомистической структуры.
•Создание связей (Create Bonds) – cоздает связи между частицами. Этот модификатор создает новые связи между парами частиц в соответствии с критерием, основанном на расстоянии. Существующие связи не будут затронуты модификатором, и он не создаст еще одну связь для пары частиц, которая уже имеет связь.
•Создание изоповерхности (Create Isosurface) – cоздает изоповерх-
ность из скалярного поля. Этот модификатор генерирует изоповерхность для величины поля, определенной на структурированной сетке. Вычисленная изоповерхность – это объект данных поверхностной сетки, и ее внешний вид контролируется визуальным элементом поверхностной сетки.
•Координационные многогранники (Coordination polyhedra) – пока-
зывает координационные многогранники. Этот модификатор вычисляет координационные многогранники вокруг выбранных атомов для визуализации. Координационный многогранник – это выпуклая оболочка, натянутая на связанных соседей центрального атома. Модификатор учитывает связи выбранных частиц с их соседями для построения многогранников.
81
7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований
Таким образом, может потребоваться сначала создать эти связи с помощью модификатора Create bond перед применением модификатора
Coordination polyhedra.
•Создание линий траектории (Generate trajectory lines) – генерирует линии траектории из положений частиц, зависящих от времени. Этот модификатор можно использовать для визуализации траекторий движения частиц, и он предоставляет возможность выбора между генерацией линий траектории для всех частиц в системе или только для подмножества частиц.
Впоследнем случае сначала необходимо выбрать частицы, для которых будут визуализированы траектории. Обычно рекомендуется ограничить генерацию линий траектории только небольшой группой частиц, которые представляют наибольший интерес.
•Интерактивная молекулярная динамика (Interactive Molecular Dynamics, IMD) – визуализирует атомные траектории в реальном времени из текущего моделирования методом молекулярной динамики по мере их расчета. Этот модификатор дает возможность работать с программой молекулярной динамики, запущенной на другом компьютере, и отображать результаты моделирования по мере их расчета. Этот модификатор объединяет информацию о статической топологии (например, типы атомов и связи), загруженную из входного файла на локальном компьютере, с данными о траектории в реальном времени, полученными из запущенной программы молекулярной динамики, которые передаются через сетевое соединение.
Рис. 7.4. Редактор конвейера в OVITO
Редактор конвейера, показанный на рис. 7.4, является центральным местом пользовательского интерфейса OVITO, где выполняется большинство операций. Он отображает текущий конвейер данных и позволяет
82
7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований
вставлять в конвейер новые модификаторы, изменять их порядок и редактировать их параметры. Редактор разделен на три раздела: визуальные элементы, модификации и источник данных.
После того как вы создали конвейер для анализа и визуализации данных, вы можете создать изображения или фильм для публикаций или презентаций. Панель настроек позволяет управлять различными настройками, такими как разрешение сгенерированного изображения и цвет фона. Вы можете либо заранее установить имя файла на панели настроек, под которым визуализированное изображение или фильм будет автоматически записываться на диск, либо вручную сохранить изображение позже.
83
Контрольные вопросы
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Расскажите о структурном описании материалов.
2.Перечислите основные дефекты материалов.
3.Что представляет из себя молекулярная динамика?
4.Приведите обоснование метода молекулярной динамики.
5.В чем заключаются физические основы метода молекулярной динамики?Приведите достоинства метода молекулярной динамики.
6.Перечислите последовательность действий при моделировании методом молекулярной динамики.
7.Перечислите основные области применения метода молекулярной динамики.
8.Охарактеризуйте основные недостатки метода молекулярной ди-
намики.
9.Как задаются граничные условия при моделировании методом молекулярной динамики?
10.Какие граничные условия можно использовать при моделировании методом молекулярной динамики?
11.Перечислите особенности периодических граничных условий.
12.В чем заключается суть критерия минимального образа?
13.Каковы особенности микроканонического ансамбля?
14.Какая система получила название канонического ансамбля?
15.Какие Вам известны методы термостатирования?
16.Что такое потенциал межатомного взаимодействия?
17.Перечислите особенности потенциала Леннарда-Джонса.
18.В чем особенность и область применения потенциала Морзе?
19.Расскажите о достоинствах и недостатках применения потенциала Букиннгема.
20.В чем особенности потенциала Стиллинджера – Вебера для моделирования свойств и процессов в кристаллических полупроводниках?
21.В чем достоинства и недостатки применения потенциала Терсоффа?
22.Перечислите особенности применения метода погруженного атома.
23.Перечислите основные алгоритмы интегрирования уравнения движения во времени.
84
Контрольные вопросы
24.Перечислите особенности алгоритма Верле для вычислений методом молекулярной динамики.
25.В чем суть алгоритма предиктор-корректор для вычислений методом молекулярной динамики?
26.Как осуществляется определение параметров состояния материалов в методе молекулярной динамики?
27.Расскажите о функции радиального распределения атомов как основной характеристики атомов структуры.
28.Перечислите основные этапы моделирования системы методом молекулярной динамики.
29.Расскажите о популярных программах для молекулярного моделирования.
30.Как осуществляются параллельные расчеты методом молекулярной динамики?
31.Перечислите особенности программы моделирования LAMMPS.
32.Из каких частей состоит скрипт в LAMMPS?
33.Перечислите основные команды LAMMPS.
34.Расскажите об особенностях параллельной версии LAMMPS.
35.Перечислите основные средства визуализации и анализа проведенных исследований методом молекулярной динамики.
36.Основные особенности работы в программе OVITO.
37.Перечислите список модификаторов, доступных в OVITO.
38.Как организуется конвейер данных в программе OVITO?
85
Контрольные вопросы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Метод молекулярной динамики является уникальным инструментом для исследования процессов образования структуры, так как на малых интервалах времени позволяет изучить причины формирования локальной структуры, а на больших интервалах – контролировать формирование реального термодинамического состояния. Метод молекулярной динамики позволяет учитывать и контролировать параметры рассматриваемого явления, исследовать в динамике процессы, происходящие на атомном уровне с применением наглядных визуализаторов структуры.
Современный уровень развития информационных технологий дает возможность реализовать компьютерное моделирование различных объектов для оптимизации их параметров и характеристик. Рассматриваемый программный пакет молекулярной динамики LAMMPS дает возможность исследовать большой спектр моделей кристаллических тел, а также решить ряд задач, которые практически невозможно решить посредством эксперимента. Он позволяет исследовать задачи, касающиеся проблем структурноэнергетических трансформаций в различных материалах, деформации и аморфизации атомных систем под влиянием температурных и силовых воздействий. Информации, представленной в данном учебном пособии, вполне хватит для реализации простейших моделей, которые могут применяться для анализа поведения различных физико-химических систем.
86
Список литературы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Shirma, S. An Introduction to Molecular Dynamics Simulation of Polymer Composites. – Nova Science Publishers, 2020. – 352 c.
2.Агафонов, А. Н., Метод классической молекулярной динамики в моделировании физико-химических процессов [Текст] / А. Н. Агафонов, А. В. Еремин. – Самара: Изд-во Самарского университета,
2017. – 68 с.
3.Селезнев, А. А. Основы метода молекулярной динамики [Текст] / А. А. Селезнев. – Саров: Изд-во СарФТИ, 2017. – 72 с.
4.Комолкин, А. В. Молекулярная динамика: от модели к визуализации [Текст] / А. В. Комолкин, Е. Э. Эльц // Компьютерные инструменты в образовании. – 2004. – № 3. – С. 5–14.
5.Кудинов, А. В. Молекулярно-динамическое моделирование термического разложения органических веществ / А. В. Кудинов, Ю. А. Богданова, С. А. Губин // Горение и взрыв. – 2019. – № 2. – С. 121–126.
6.Xoлмуродов, Х. Т. Методы молекулярной динамики для моделирования физических и биологических процессов [Текст] / Х. Т. Холмуродов, М. В. Алтайский, И. В. Пузынин // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2003. – № 34. – С. 474–510.
7.Lesar, R. Introduction to Computational Materials Science. – Cambridge University Press, 2013. – 414 p.
8.Дорохова, Т. Ю. Моделирование конструкций и технологических процессов производства электронных средств [Текст] / Т. Ю. Дорохова. – Тамбов, 2013. – 44 с.
9.Комолкин, А. В. Метод молекулярной динамики [Текст] / А. В. Комолкин, М. Г. Шеляпина. – Санкт-Петербург, 2007. – 72 с.
10.Холмуродов, Х. Т. МД-моделирование в химических исследованиях: от атомных фрагментов до молекулярных соединений [Текст] / Х. Т. Холмуродов. – Дубна, 2011. – 100 с.
11.Stukowski, A. Visualisation and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the Open Visualization Tool // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2010. – № 1. – P. 015012.
12.Звонарев, С. В. Моделирование структуры и свойств наносистем [Текст] / С. В. Звонарев, В. С. Кортов, Т. В. Штанг. – Екатеринбург,
2014. – 120 с.
87
Список литературы
13.Шилов, М. А. Компьютерное моделирование молекулярных систем методом молекулярной динамики [Текст] / М. А. Шилов, В. В. Веселов. – Иваново, 2010. – 168 с.
14.Пестряев, Е. М. Молекулярная динамика на персональном компь-
ютере // Структура и динамика молекулярных систем. – 2011. –
№ 12. – С. 3–109.
15.Шайтан, К. В. Молекулярная динамика белков и пептидов [Текст] / К. В. Шайтан, К. Б. Терешкина. – Москва, 2004. – 105 с.
16.Кручинин, Н. Ю. Метод молекулярной динамики при изучении структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов в нанокластерах [Текст] / Н. Ю. Кручинин. – Оренбург, 2015. – 108 с.
17.Двуреченская, М. А. Модели и алгоритмы стохастической микроди-
намики (обзор и некоторые задачи) / М. А. Двуреченская, А. Ю. Попков, Ю. С. Попков, Е. Ю. Шкловский // Труды ИСА РАН. – 2011. – № 61. – С. 14–17.
18.Нагорнов, Ю. С. Численные методы моделирования свойств нанокристаллов [Текст] / Ю. С. Нагорнов. – Тольятти, 2012. – 87 с.
19.Аксенова, Е. В. Вычислительные методы исследования молекулярной динамики [Текст] / Е. В. Аксенова, М. С. Кшевецкий. – СанктПетербург, 2009. – 50 с.
20.Неелов, И. М. Введение в молекулярное моделирование биополимеров [Текст] / И. М. Неелов. – Санкт-Петербург, 2014. – 101 с.
21.Хёльтье, Х.-Д. Молекулярное моделирование: Теория и практика [Текст] / Х.-Д. Хёльтье, В. Зиппль, Д. Роньян, Д. Фолькерс. – Москва, 2020. – 322 с.
22.Игнатов, С. К. Квантовохимическое моделирование атомно-моле- кулярных процессов [Текст] / С. К. Игнатов. – Нижний Новгород,
2019. – 81 с.
23.https://lammps.sandia.gov/doc/Examples.html (дата обращения: 03.07.20).
24.Мулюков, Р. Р. Углеродные наноматериалы [Текст] / Р. Р. Мулюков, Ю. А. Баимова. – Уфа, 2015. – 160 с.
25.Баимова Ю. А. Моделирования влияния схемы деформирования на эволюцию структуры двумерного нанокристалла / Ю. А. Баимова, С. В. Дмитриев, А. А. Назаров // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2010. – № 3. – С. 14–18.
88
Список литературы
26.Антонов А. С. Параллельное программирование с использованием технологии MPI: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГУ, 2004. – 71 с. –
URL: https://parallel.ru/sites/ default/files/tech/ tech_dev/MPI/mpibook.pdf.
27.Install LAMMPS. – https://docs.lammps.org /Install.html.
28.Chacon S., Straub B. Pro Git book (в переводе на русский язык) / S. Chacon, B. Straub. – Apress, 2014. – URL: https://git-scm.com/ book/ ru/v2.
29.https://www.ovito.org/.
30.https://www.vorotop.org/download.html.
31.https://www.mpich.org/.
32.https://www.open-mpi.org/.
89
7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований
ПРИЛОЖЕНИЕ
Варианты индивидуальных заданий
Промоделировать отжиг заданных материалов при температуре T и скорости охлаждения V, K/s из табл. П.1.
|
|
|
|
Таблица П.1 |
Варианты задания для моделирований поведения идеальной |
||||
|
кристаллической решетки |
|
||
Вариант |
|
Материал |
|
T, K, V, K/s |
|
|
|
|
|
1 |
|
Алюминий |
|
1200, 1·1015 |
2 |
|
Никель |
|
2000, 2·1015 |
3 |
|
Платина |
|
2200, 3·1015 |
4 |
|
Золото |
|
1500, 4·1015 |
5 |
|
Медь |
|
2100, 5·1015 |
6 |
|
Железо |
|
2100, 4·1015 |
7 |
|
Титан |
|
2100, 4·1015 |
8 |
|
Литий |
|
700, 2·1015 |
9 |
|
Серебро |
|
1400, 4·1015 |
10 |
|
Калий |
|
1300, 5·1015 |
11 |
|
Алюминий |
|
1400, 4·1015 |
12 |
|
Никель |
|
2100, 4·1015 |
13 |
|
Платина |
|
2300, 2·1015 |
14 |
|
Золото |
|
1600, 3·1015 |
15 |
|
Медь |
|
2000, 3·1015 |
16 |
|
Железо |
|
2400, 3·1015 |
17 |
|
Титан |
|
2200, 3·1015 |
18 |
|
Литий |
|
600, 4·1015 |
19 |
|
Серебро |
|
1500, 4·1015 |
20 |
|
Калий |
|
1200, 4·1015 |
Потенциал, характеризующий взаимодействие в системе, может быть выбран среди имеющихся для LAMMPS. Привести графики зависимости температуры, кинетической и потенциальной энергии от времени.
90