【LAMMPS学习】八、基础知识(5.5)极化模型

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 8. 基础知识

此部分描述了如何使用 LAMMPS 为用户和开发人员执行各种任务。术语表页面还列出了 MD 术语,以及相应 LAMMPS 手册页的链接。 LAMMPS 源代码分发的 examples 目录中包含的示例输入脚本以及示例脚本页面上突出显示的示例输入脚本还展示了如何设置和运行各种模拟。

8.1.通用基础知识

8.2. 设置入门

8.3. 分析入门

8.4. 力场入门

8.5. 软件包入门

8.5.1.有限尺寸球形和非球形粒子

8.5.2. 粒度模型

8.5.3.体粒子

8.5.4.黏合粒子(BMP)模型

8.5.5.极化模型

在极化力场中,分子和材料中的电荷分布对其静电环境做出响应。可使用三种方法在 LAMMPS 中模拟偏振系统:

  • 在QEQ包中实现的波动电荷法;

  • 在CORESHELL包中实现的绝热核壳法;

  • 在 DRUDE 封装中实现热化 Drude 偶极子方法。

波动电荷法根据电负性均衡原理计算相互作用原子上的瞬时电荷。它在fix qeq 中实现,有多种变体。这是一种相对有效的技术,因为没有引入额外的颗粒。该方法允许分子或原子团之间的电荷转移。然而,由于电荷位于相互作用位点,因此偏振的离面分量不能用平面分子或原子团表示。


其他两种方法具有相同的基本思想:可极化原子被分裂成一个核心原子和一个通过谐波弹簧附着在其上的卫星粒子(称为壳层或Drude粒子)。两个原子都带有电荷,它们共同代表感应电偶极子。由于存在额外的粒子和键,这些技术的计算成本比 QEq 方法更昂贵。这两种弹簧充电方法在某些特征上有所不同,核壳模型通常用于离子/晶体材料,而所谓的德鲁德模型通常用于分子系统和流体状态。


核-壳模型适用于晶体材料,其中每个位点周围的高度对称性导致核-壳对的稳定轨迹。然而,分子中的键合原子可能非常接近,以至于核心相互作用太强,甚至捕获相邻的德鲁德粒子。为了解决这个问题和其他问题,德鲁德偶极子模型相对更复杂。具体来说,Drude 模型包括核心-Drude 对的特定恒温和感应偶极子的短程阻尼。


这三种极化方法可以通过每个时间步长的电荷或感应偶极子的自洽计算来实现。在波动电荷方案中,这是通过固定 qeq/点中的矩阵求逆方法来完成的,但对于核-壳或德鲁德偶极子,松弛偶极子技术将需要缓慢的迭代过程。这些自洽解产生准确的轨迹,因为表示偏振的附加自由度是无质量的。另一种方法是将质量归因于附加自由度,并使用扩展拉格朗日技术执行时间积分。对于波动电荷方案,这是通过修复 qeq/dynamic 来完成的,对于弹簧电荷模型,这是通过接下来两节中概述的方法来完成的。如果在选择可极化模型的参数和模拟条件时不小心,将质量分配给附加自由度可能会导致非物理轨迹。


在核-壳模型中,壳的振动保持比离子振动更快,以模拟可极化电子的快速响应。但在分子系统中,在与模拟的其余部分相当的温度下热化核心-德鲁德对会导致几个问题(动能转移、时间步太短等)。为了避免这些问题,德鲁德粒子的相对运动与对它们核心的尊重保持“冷”,因此核心-德鲁德对的振动非常缓慢,接近自洽状态。在这两个模型中,温度都是使用核+壳(或Drude)对的质心速度来调节的,但在德鲁德模型中,实际的相对core-Drude粒子运动也是单独恒温的。

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