1分子(或原子)间相互作用势简介
分子(或原子)间相互作用势的准确性对计算结果的精度影响极大，但总的来说，原子之间的相互作用势的研究一直发展得很缓慢，从一定程度上制约了分子动力学在实际研究中的应用．原子间势函数概念本身已把电子云对势函数的贡献折合在内了，原子间势函数的发展经历了从对势，多体势的过程．对势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用，与其他原子的位置无关，而实际上，在多原子体系中，一个原子的位置不同，将影响空间一定范围内的电子云分布，从而影响其他原子之间的有效相互作用，故多原子体系的势函数更准确地须用多体势表示．
2 力场简介
图1 键伸缩势示意图图2键伸缩势示意图
图3二面角扭曲势示意图
在分子动力学模拟的初期，人们经常采用的是对势．应用对势的首次模拟是Alder和Wainwright在1957年的分子动力学模拟中采用的间断对势．Rahman在1964年应用非间断的对势于氩元素的研究，他和Stillinger在1971年也首次模拟了液体HzO分子，并对分子动力学方法作出了许多重要的贡献，比较常见的对势有以下几种：
(a)间断对势
Alder和Wainwrigh在1957年使用间断对势
这个势函数虽然很简单，但模拟结果给人们提供了许多有益的启示．后来他们又采取了另一种形式的间断对势。
（b）连续对势
对势一般表示非键结作用，如范德瓦耳斯作用；常见的表达方式有以下几种：
ij ij 其中，Lennard —Jones 势是为描述惰性气体分子之间相互作用力而建立的，因此它表达的作用力较弱，描述的材料的行为也就比较柔韧．也有人用它来描述铬、钼、钨等体心立方过渡族金属．Born-Lande
势是用来描述离子晶体的． Morse 势与Johnson 势经常用来描述金属固体，前者多用于Cu ，后者多用于 Fe ．Morse 势的势阱大于Johnson 势的势阱，因此前者描述的作用力比后者强，并且由于前者的作用力范围比后者长，导致Morse 势固体的延性比Johnson 势固体好．对势虽然简单，得到的结果往往也符合某些宏观的物理规律，但其缺点是必然导致Cauchy 关系，即Cl2=C44，而一般金属并不满足Cauchy 关系，因此对势实际上不能准确地描述晶体的弹性性质
式中，F(ρi )表示原子嵌入晶格密度为ρi 的能量，ρi 可以表示为：
1,()N i ij ij i j i r ρρ=≠=
∑
有关U inv 、U 3-body 、U Tersoff 和U 4-body 的介绍参见文献。
6)多体势
三体势和四体势等多体势是更复杂的势函数，不可以分解成两体势相加的形式。由于多体势相加的形式。由于多体势的计算量巨大，常用有效势的形式近似多体势。但必须注意的是，有效两体势不能完全表示多体势的全部特征。
作势的方法：
量子理论的不断完善、计算技术以及计算机的飞速发展极大地推动了材料物理的发展.由于目前计算条件和理论的限制,尽管建立在密度泛函理论基础上的第一原理计算方法已取得了巨大的成功,但要处理包含成千上万个原子的复杂材料体系的复杂行为,计算精度和计算速度仍难以令人满意.因此,在材料的静力学、动力学以及统计力学的研究中,各种各样等效的原子间相互作用势仍然起着重要的作用.该文对材料计算中广泛使用的等效的原子间相互作用对势：刚球模型、Buckingham 势、Lennard-Jones 势、Morse 势、Born-Mayer 势和它们的应用.近年来，从数论基础上发展起来的陈氏三维晶格反演得到广泛应用,其原理是基于结合能曲线从头计算的结果(基于晶格常数、结合能和体模量的实验数据),获得的原子间相互作用势。计算表明,陈氏三维晶格反演比CGE 方法具有更快的收敛性,容易获得较高精度的原子间相互作用势.获得的原子间相互作用势,可以较精确地应用于金属的结构、静力学和动力学的计算.这为确定金属材料中的原子间相互作用对势提供了一个解析的途径. 具体来说，作势的方法有两种：经验拟合和理论计算。
MM1 由Allinger’s group 及其合作者贡献 1974（MM1）～1996（MM4）的力场发展 MM1（1974）（组成势6项）不包括静电相互作用 V tot =V vdw +V bnd +V ang +V bnd/ang +V tor +V ang/tor/ang 参数化原子2个 H ，C(SP 3) 势函数的具体表述 )3cos 1(2 13ω+=tor tor K V mul Kcul K tor /53.03= 613.6/P v d w v d w v d w v d w v d w V k K P k K e -'=+ 单位约数 力常数 25.2-=K 51028.8?='K k 是ε的几何平均：2/1)(j I vdw k εε= )(063.0H I =ε )(041.03 SP j C =ε P 是距离比值，IJ J I r r r P ) 0()0(+= 500.1)0(=I r (?)(H) 750.1)0(=j r (?)(C) MM2（1997） （7项） 最大的贡献 引入静电项 28个参数化原子 elec vdw tor V V V ++= )]3cos 1()2cos 1()cos 1([2 1321ωωω++-++=tor tor tor tor K K K V )(/50.126P vdw vdw vdw vdw e K P K k V -'+= 25.2-=vdw K 51090.2?='vdw K )(047.0H I =ε 30.044[()]j C S P ε=- MM3（9项） 引入2个交叉项 152参数化原子类型 b a b a bnd tor vdw tor V V V V ///+++= )(/00.126P vdw vdw vdw vdw e K P K k V -'+= 指数项由MM1 –13.0 → MM2 –12.50 → MM3 –12.00 下降 vdw K '由551084.11090.2?→? MM4（最新力场）组分15项 除了MM3引入的参数，已增加了一些形成氢键的C@112 五员环中的C(SP 3) @113 t t a t a a t b b b t im a b a a e v t a b tot V V V V V V V V V V V V V V ////////++++++++++++=
3D分子图形显示工具 (RasMol and OpenRasMol)(免费) AMBER (分子力学力场模拟程序) autodock (分子对接软件)(免费) GROMACS (分子动力学软件)(免费) GULP (General Utility Lattice Program)(免费) NIH分子模拟中心的化学软件资源导航(Research Tools on the Web) X-PLOR (大分子X光晶体衍射、核磁共振NMR的3D结构解析)(免费) 高通量筛选软件PowerMV (统计分析、分子显示、相似性搜索 等)(免费) 化合物活性预测程序PASS(部分免费) 计算材料科学Mathub C4：Cabrillo学院化学可视化项目以及相关软件(免费) Databases and Tools for 3-D Protein Structure Comparison and Alignment(三维蛋白质结构对比)(免费) Democritus (分子动力学原理演示软件) DPD应用软件cerius2(免费) EMSL Computational Results DataBase (CRDB) MARVIN'S PROGRAM (表面与界面模拟)(免费) XLOGP(计算有机小分子的脂水分配系数)(免费) 量子化学软件中文网 美国斯克利普斯研究院：金属蛋白质结构和设计项目(免费) https://www.doczj.com/doc/181052987.html,/(免费) 3D Molecular Designs (蛋白质及其他3D分子物理模型快速成型技术) 3D-Dock Suite Incorporating FTDock, RPScore and MultiDock (3D 分子对接)(免费)
力场与拓扑之二：如何选择力场 已有9886 次阅读 2015-12-9 13:01 |系统分类:科研笔记 2015-12-08 22:27:19 待补充, 参考Sobereva力场瞎总结, 磷脂膜模拟的力场 瞎总结. 性能 模拟有机小分子热力学性质用Charmm generalized >= OPLS-AA >= GAFF，但实际上GAFF已经很好了。它 们计算各种有机分子的密度、蒸发焓都很准确，但是介 电常数、等温压缩系数计算得都一般。GAFF对于带有 硝基的分子不好。OPLS和GAFF对于苯甲醛、甲酸， 以及有两个及以上Br或Cl相距较近的情况都不好。 对蛋白质构象的模拟: ff99SB+ildn+nmr > CHARMM27 >OPLS ?f99。 ?Berger：专门用于磷脂的力场 ?PFF=Polarizable Force Field ?VAMM=Virtual atom molecular mechanics 材料力场 ?cvff(consistent valence forcefield)：参数用于有机分子、蛋白质模拟，函数形式略复杂。cvff_aug是对其扩展， 可以用于研究硅酸盐、铝硅酸盐、磷酸盐、泥土
?CFF(consistent family of forcefield)：包括CFF91和CFF95。适用面很广，涵盖有机无机小分子、聚合物、 多糖和生物大分子，还支持金属。函数形式挺复杂。 参数由从头算获得，非键参数从CVFF弄来，不适合 凝聚相模拟。 ?pcff：基于CFF91，适用范围做了扩展，主要用于聚合物和有机材料，也能用于无机材料，还有糖、核酸、 脂的参数。 ?COMPASS=Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies：在pcff基 础上改进的新版本，同样由从头算获得参数，在凝聚 相模拟方面大有改善。适用于有机和一些无机分子、 高分子，常用于材料领域的各种性质计算，不支持生 物分子。模拟超临界水不错。能够适应很宽范围的压 强和温度。MS中COMPASS(即 2.8)>COMPASS2.7>COMPASS2.6。在MaterialStudio 中御用，参数是加密不公开的，虽然lammps也能用， 但是参数不全。 普适力场 ?Dreiding：普适型力场，但支持的元素有限，并非涵盖整个周期表。可以用于有机、生物、主族无机分子。
6-5 原子力显微镜 【实验简介】 扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于导体和半导体的研究。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在往往掩盖了样品表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，1986年宾尼希等发明了第一台原子力显微镜AFM（atomic force microscopy）。原子力显微镜不仅可以在原子水平测量各种表面形貌，而且可用于表面弹性、塑性、硬度、摩擦力等性质的研究。 【实验目的】 1.学习和了解原子力显微镜的结构和原理； 2.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌； 【实验原理】 1.原子力显微镜 与STM不同，原子力显微镜测量的是针尖与样品表面之间的力。将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小到一定程度时，由于针尖与样品的相互作用（引力、斥力等），使悬臂发生弯曲形变。如图使样品与针尖之间作扫描运动，测量悬臂的形变位移，即可得到 图6-5-1 原子力显微镜示意图 样品表面的形貌信息。 由于微悬臂的位移很小，对它的测量是一个关键技术。最早发明者宾尼希等人利用隧道电流对间距的敏感性来测量悬臂的位移，但由于隧道效应对悬臂的功函数（由于污染等原因）变化同样敏感，所以稳定性较差。现在大多数均采用光学方法或电容检测法。本实验采用光
图6-5-2 原子力显微镜光路图 束偏转检测方法，如图2所示。激光束经微悬臂背面反射、再经平面反射镜至四相限接受器，当微悬臂弯曲时激光束在接受器上的位置将发生移动，由四象限接受器检测出悬臂弯曲位移，便可得到样品的表面形貌。 2.轻敲模式成象技术 常规的接触模式扫描由于针尖对样品的作用力较大，会在软样品表面形成划痕，或使样品变形，对粉体颗粒样品，会使样品移动，或将样品碎片吸附在针尖上，分辨率较差，而理想的非接触模式由于工作程短，又是难于有效实施的。 轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中由压电驱动器将微悬臂激发到共振振荡状态，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏的影响。AFM轻敲扫描模式，特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。并对针尖损耗相对最少。 【实验装置】(见扫描隧道显微镜) 【实验内容及步骤】 1．扫描光栅样品 注意：所有插件栏的操作都应当是鼠标单击 1.1 放针尖。把针尖架插入探头； 1.2 放样品（用镊子操作，注意不要让镊子碰到样品表面）。 1.3打开电脑。开启控制箱电源。打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模
原子力显微镜操作简要说明 一、设备开机 1、打开原子力显微镜主机电源（在光学平台下方）。 2、开启电脑、运行软件（软件10，如有问题可换9重新运行）。 3、在软件界面点击 SPM init 进行设备初始化，如显示SPM OK可继续操作，如不显示SPM OK重启软件。 4、点open door开操作门，点灯泡按钮照亮。 二、样品准备 1、将表面洁净样品使用专用双面胶粘贴至设备配备的圆形载物片上（最好两个台子一起使用，以便旋转样品）。 2、通过检测组件上的按钮或者软件点open door开启样品室舱门，点灯泡按钮照亮，点击软件界面上的AFM-STM退针钮使显微镜探头缩回。 3、使用专用镊子将样品连同载物片放入磁性样品台上，小心调整样品区域之中间。小心不要碰触探头、激光源等。 4、点击软件界面的AFM-STM使探头移回。关闭舱门。 三、操作程序 1、运行软件的camera功能，点击绿色的play键。运行approach，点击蓝色step move，将样品降低到安全距离。 2、运行软件的aiming功能，点击tools-motors-video calibration-右下角specify laser step 1-Alt+左键-确定-手动Alt+左键点击红十字中心，使激光与十字匹配。 3、运行AFM钮，使针头伸出。点击Shift+左键点击针悬臂梁的中间或偏上三分之一处，点击move laser使激光移动到点击位置，然后用Laser X和Y将Laser 调到最大，点击Aiming，使DFL、LF为0。 4、运行软件的Resonance功能，选择semicontact模式，在probes里选择对应针尖，点击Auto，调节探针悬臂的共振频率。如产生共振，调节Gain和lockgain 的大小（保证其乘积大小不变），确定setpoint为典型值Mag的一半，Gain0.5-1之间。 5、运行landing，观察way值变化。 6、运行软件的Approach功能，自动完成下针。使探针下降至检测距离。 7、点击Scanning按钮，开始样品扫描，扫描图样将自动保存至指定文件夹。注意: 1、除去扫描过程，其他改变任何程序或移动样品的操作都应先关闭反馈键使ON 变为OFF。操作过程中确保XY是闭环状态？ 2、取放样品时均应首先软件操作使探头缩回。 3、扫描结果的优劣决定于当前探针状态（是否断针和污染）和所选用的反馈灵 敏度Gain。在确保不损伤仪器以及珍贵探针的情况下进行优化调节。
1.引言 随着人类科研的不断发展, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注, 所以各种研究方法和仪器手段也应运而生。原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）利用其微悬臂上尖细探针与样品的原子之间的作用力，从而达到检测的目的。其具有原子级的分辨率[1]。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不能观察非导体的不足。 图1 原子力显微镜 原子力显微镜的原理及其在材料科学上的应用 摘要 本文介绍了原子力显微镜的发展过程、探测原理等方面，从原子力显微镜对于材料表面形貌分析，粉体材料分析，纳米材料分析等方面，综述了原子力显微镜技术在材料科学学方面的应用，并展望原子力显微镜在未来的发展 关键词 原子力显微镜工作模式特点表面形貌 Abstract Thisarticle provide information of AFM(Atomic Force Microscope),about the development,the principle,from AFM on analyzing surface of material ,dusty material and nanometer size material. And look into the future of AFM Key word AFM working model characteristic surface
2.仪器工作原理 AFM通常由氮化硼作为一个灵敏的弹性微悬臂，在其尖端有一个用来在样品表面上扫描的很尖细的探针。假设有两个原子，一个是在微悬臂的探针尖端，另一个是在样品的表面，它们之间的作用力会随着距离的变化而变化。当原子和原子很接近时，彼此的电子云排斥力作用会大于原子核与电子云之间的吸引作用，其合力表现为排斥作用。反之，若两原子分开到一定距离时，其电子云的排斥作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故其合力表现为吸引作用。原子力显微镜就是利用微小探针与待测原子之间的这种交互作用力的微妙变化，来显现表面原子的形貌。[2] 在原子力显微镜中，根据利用原子间的排斥力或吸引力方式的不同，发展出了两种工作模式： （1）利用原子之间的排斥力的变化而产生样品表面轮廓，从而发展了接触式原子力显微镜（Contact AFM），其探针与样品表面的距离约为零点几个纳米。 （ 2 ）利用原子之间的吸引力的变化而产生 样品表面轮廓，从而发展了非接触式原子 力显微镜（Non-Contact AFM）其探针与样 品表面的距离约为几到几十纳米。 图2 原子与原子之间的交互作用 在原子力显微镜系统中，使用一个灵活的 微悬臂来感应针尖与样品之间的交互作用 力，该作用力随样品表面形态而变化，它 会使微悬臂随之摆动。将一束激光照射在 微悬臂的末端，当微悬臂摆动时，会使反 射激光的位置改变而造成偏移量，用激光 检测器记录此偏移量，同时将此信号传递 给反馈系统，以利于系统做适当的调整， 从而将样品表面特征以影像的方式显现出 来[3]。（如图 3） 。 图3 原子力显微镜的探测原理示意图 3.原子力显微镜的结构 3.1力检测系统 原子力显微镜使用微小悬臂来检测原 子之间力的变化量。微悬臂通常由一个 100到500μm长和大约500nm到5μm厚 的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一 个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相 互作用力。 图4 原子力显微镜微悬臂 3.2位置检测系统
1分子(或原子)间相互作用势简介 分子(或原子)间相互作用势的准确性对计算结果的精度影响极大，但总的来说，原子之间的相互作用势的研究一直发展得很缓慢，从一定程度上制约了分子动力学在实际研究中的应用．原子间势函数概念本身已把电子云对势函数的贡献折合在内了，原子间势函数的发展经历了从对势，多体势的过程．对势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用，与其他原子的位置无关，而实际上，在多原子体系中，一个原子的位置不同，将影响空间一定范围内的电子云分布，从而影响其他原子之间的有效相互作用，故多原子体系的势函数更准确地须用多体势表示． 2 力场简介
图1 键伸缩势示意图图2键伸缩势示意图
图3二面角扭曲势示意图 在分子动力学模拟的初期，人们经常采用的是对势．应用对势的首次模拟是Alder和Wainwright在1957年的分子动力学模拟中采用的间断对势．Rahman在1964年应用非间断的对势于氩元素的研究，他和Stillinger在1971年也首次模拟了液体HzO分子，并对分子动力学方法作出了许多重要的贡献，比较常见的对势有以下几种： (a)间断对势 Alder和Wainwrigh在1957年使用间断对势 这个势函数虽然很简单，但模拟结果给人们提供了许多有益的启示．后来他们又采取了另一种形式的间断对势。 （b）连续对势 对势一般表示非键结作用，如范德瓦耳斯作用；常见的表达方式有以下几种：
ij ij 其中，Lennard —Jones 势是为描述惰性气体分子之间相互作用力而建立的，因此它表达的作用力较弱，描述的材料的行为也就比较柔韧．也有人用它来描述铬、钼、钨等体心立方过渡族金属．Born-Lande 势是用来描述离子晶体的． Morse 势与Johnson 势经常用来描述金属固体，前者多用于Cu ，后者多用于 Fe ．Morse 势的势阱大于Johnson 势的势阱，因此前者描述的作用力比后者强，并且由于前者的作用力范围比后者长，导致Morse 势固体的延性比Johnson 势固体好．对势虽然简单，得到的结果往往也符合某些宏观的物理规律，但其缺点是必然导致Cauchy 关系，即Cl2=C44，而一般金属并不满足Cauchy 关系，因此对势实际上不能准确地描述晶体的弹性性质
2015年秋季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:原子力显微镜的工作原理及基本操作学生所在院（系）: 学生所在学科: 学生姓名: 学号: 学生类别:应用型 考核结果阅卷人
原子力显微镜的工作原理及基本操作 一、实验目的 1.了解原子力显微镜的工作原理 2.掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法 二、原子力显微镜结构及工作原理 2.1 AFM的工作原理 AFM是用一个一端装有探针而另一端固定的弹性微悬臂来检测样品表面信息的，当探针扫描样品时，与样品和探针距离有关的相互作用力作用在针尖上，使微悬臂发生形变。AFM系统就是通过检测这个形变量，从而获得样品表面形貌及其他表面相关信息 1.原子力作用机制 当两个物体的距离小到一定程度的时候，它们之间将会有原子力作用．这个力主要与针尖和样品之间的距离有关．从对微悬臂形变的作用效果来分，可简单将其分为吸引力和排斥力，它们分别在不同的工作模式下、不同的作用距离起主导作用．探针与样品的距离不同，作用力的大小也不相同，针尖/样品距离曲线如图1所示． 图1 针尖/样品距离曲线 2.原子力显微镜的成像原理 AFM的微悬臂绵薄而修长，当对样品表面进行扫描时，针尖与样品之间力的作用会使微悬臂发生弹性形变，针尖碰到样品表面时，很容易弹起和起伏，它非常的灵敏，极小的力的作用也能反应出来．也就是说如果检测出这种形变，就可以知道针尖－样品间的相互作用力，从而得知样品的形貌。
图2 光束偏转法的原理图 微悬臂形变的检测方法一般有电容、隧道电流、外差、自差、激光二极管反馈、偏振、偏转方法。偏转方法是采用最多的方法，也是原子力显微镜批量生产所采用的方法．图2就是光束偏转法的原理图。 3.原子力显微镜的工作模式 AFM主要有三种工作模式:接触模式(ContactMode)、非接触模式(Non－contact Mode)和轻敲模式( Tapping Mode)，如图3． 图3 三种工作模式 接触模式中，针尖一直和样品接触并在其表面上简单地移动．针尖与样品间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力，其大小约为10-8～10-11N。 非接触模式是控制探针一直不与样品表面接触，让探针始终在样品上方5～20nm 距离内扫描．因为探针与样品始终不接触，故而避免了接触模式中遇到的破坏样品和污染针尖的问题，灵敏度也比接触式高，但分辨率相对接触式较低，且非接触模式不适合在液体中成像。 轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间新发展起来的成像技术，类似与非接触模式，但微悬臂的共振频率的振幅相对非接触模式较大，一般在0.01～1nm．分辨率几乎和接触模式一样好，同时对样品的破坏也几乎完全消失，克服了以往常规模式的局限。 4.原子力显微镜的构成 SPA－300HV型显微镜主要包括以下四个系统: 减震系统、头部系统、电子学控制系统、计算机软件系统(图4为结构图)。
Materials Studio 目录[隐藏] Materials studio简介 模块详细介绍 Materials studio简介 1. 1、诞生背景 2. 2、软件概况 3. 3、模块简介 4. 4、比Cer ius2更具有优点 模块详细介绍 1. 基本环境 2. 分子力学与分子动力学 3. 晶体、结晶与X射线衍射 4. 量子力学 5. 高分子与介观模拟 6. 定量结构-性质关系 [编辑本段] Materials studio简介 1、诞生背景 美国A ccelrys公司的前身为四家世界领先的科学软件公司――美国Molecular Simulations Inc.(MSI)公司、Genet ics Computer G roup(G CG)公司、英国Synop sys Scient ific系统公司以及Oxfo rd Molecular Group(OMG)公司，由这四家软件公司于2001年6月1日合并组建的Accel rys公司，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计以及化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商。 A ccelrys材料科学软件产品提供了全面完善的模拟环境，可以帮助研究者构建、显示和分析分子、固体及表面的结构模型，并研究、预测材料的相关性质。A ccelrys的软件是高度模块化的集成产品，用户可以自由定制、购买自己的软件系统，以满足研究工作的不同需要。A ccelrys软件用于材料科学研究的主要产品包括运行于UNIX工作站系统上的C erius2软件，以及全新开发的基于PC平台的Material s Studio软件。Accelrys材料科学软件被广泛应用于石化、化工、制药、食品、石油、电子、汽车和航空航天等工业及教育研究部门，在上述领域中具有较大影响的世界各主要跨国公司及著名研究机构几乎都是Accelrys产品的用户。 2、软件概况 Mate rials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Stu dio使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。 多种先进算法的综合应用使Material s Studio成为一个强有力的模拟工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。
LAMMPS手册-中文解析 一、简介 本部分大至介绍了LAMMPS的一些功能和缺陷。 1．什么是LAMMPS? LAMMPS是一个经典的分子动力学代码，他可以模拟液体中的粒子，固体和汽体的系综。他可以采用不同的力场和边界条件来模拟全原子，聚合物，生物，金属，粒状和粗料化体系。LAMMPS可以计算的体系小至几个粒子，大到上百万甚至是上亿个粒子。 LAMMPS可以在单个处理器的台式机和笔记本本上运行且有较高的计算效率，但是它是专门为并行计算机设计的。他可以在任何一个按装了C++编译器和MPI的平台上运算，这其中当然包括分布式和共享式并行机和Beowulf型的集群机。 LAMMPS是一可以修改和扩展的计算程序，比如，可以加上一些新的力场，原子模型，边界条件和诊断功能等。 通常意义上来讲，LAMMPS是根据不同的边界条件和初始条件对通过短程和长程力相互作用的分子，原子和宏观粒子集合对它们的牛顿运动方程进行积分。高效率计算的LAMMPS通过采用相邻清单来跟踪他们邻近的粒子。这些清单是根据粒子间的短程互拆力的大小进行优化过的，目的是防止局部粒子密度过高。在并行机上，LAMMPS采用的是空间分解技术来分配模拟的区域，把整个模拟空间分成较小的三维小空间，其中每一个小空间可以分配在一个处理器上。各个处理器之间相互通信并且存储每一个小空间边界上的”ghost”原子的信息。LAMMPS(并行情况)在模拟3维矩行盒子并且具有近均一密度的体系时效率最高。 2．LAMMPS的功能 总体功能：
可以串行和并行计算 分布式MPI策略 模拟空间的分解并行机制 开源 高移植性C++语言编写 MPI和单处理器串行FFT的可选性（自定义） 可以方便的为之扩展上新特征和功能 只需一个输入脚本就可运行 有定义和使用变量和方程完备语法规则 在运行过程中循环的控制都有严格的规则 只要一个输入脚本试就可以同时实现一个或多个模拟任务粒子和模拟的类型： （atom style命令） 原子 粗粒化粒子 全原子聚合物，有机分子，蛋白质，DNA 联合原子聚合物或有机分子 金属 粒子材料 粗粒化介观模型 延伸球形与椭圆形粒子 点偶极粒子
原子力显微镜及其应用 原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针显微镜。原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜是利用一种小探针在样品表面上扫描，从而提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称。原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。与常规显微镜比较，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图象。并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。 原子力显微镜可以检测很多样品，提供表面研究和生产控制或流程发展的数据，这些都是常规扫描型表面粗糙度仪及电子显微镜所不能提供的。 一、基本原理 原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力（原子力）测出表面的形貌。 探针尖端在小的轫性的悬臂上，当探针接触到样品表面时，产生的相互作用，以悬臂偏转形式检测。样品表面与探针之间的距离小于3－4nm，以及在它们之间检测到的作用力，小于10－8N。激光二极管的光线聚焦在悬臂的背面上。当悬臂在力的作用下弯曲时，反射光产生偏转，使用位敏光电检测器偏转角。然后通过计算机对采集到的数据进行处理，从而得到样品表面的三维图象。 完整的悬臂探针，置放于在受压电扫描器控制的样品表面，在三个方向上以精度水平0.1nm或更小的步宽进行扫描。一般，当在样品表面详细扫绘（XY轴）时，悬臂的位移反馈控制的Z轴作用下保存固定不变。以对扫描反应是反馈的Z轴值被输入计算机处理，得出样品表面的观察图象（3D图象）。 二、原子力显微镜的特点 1．高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。 2．非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。 3．应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。 4．软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。 三、应用实例 1．应用于纸张质量检验。2．应用于陶瓷膜表面形貌分析。3．评定材料纳米尺度表面形貌特征 1
Introduction to COMPASS Forcefield Liang Taining, Yang Xiaozhen (Center for Molecsclar Science, Institute of Chemistry, Beijing 100080) Abstrat COMPASS forcefield is the new kind forcefield developed for the Condensed-phase Optimized Molecular Potentials. It is the first ab initio forcefield that enables accurate and simultaneous prediction of structural, conformational, vibrational, and thermophysical properties for a broad range of molecules in isolation and in condensed phases. It is also the first high quality forcefield that consolidates parameters for organic and inorganic materials previously found in different forcefields. This forcefield includes the most common organics, inorganic small molecules, polymers, some metal ions, metal oxides and metals. Key words COMPASS, Molecular forcefield 摘要 COMPASS力场是最近发展的适合凝聚态应用的一个全新的分子力场。它是第一个基于从头计算、能够准确预报孤立态和凝聚态分子的分子结构、构象、振动、热力学性质的分子力场。COMPASS力场也是第一个把以往分别处理的有机分子体系的力场与无机分子体系的力场统一的分子力场，能够模拟有机和无机小分子，高分子，一些金属离子、金属氧化物与金属。 关键词 COMPASS 分子力场 分子力场——COMPASS简介* 梁太宁杨小震** (中国科学院化学研究所分子科学中心 100080) 在分子模拟中经常要模拟成千上万个原子的分子体系。显然，与量子力学和半经验方法相比，分子力学有能力处理大分子体系并且可以大大节省计算时间。分子力学是从经典力学的观点来描述分子中原子的拓扑结构。它是通过分子力场(molecular force field)，这个分子模拟的基石来实现的。分子力场是原子尺度上的一种势能场，是由一套势函数与一套力常数构成的。由此描述特定分子结构的体系能量。该能量是分子体系中成键原子的内坐标的函数，也是非键原子对儿距离的函数[1]。最早分子力学的方法似乎可以追朔到双原子分子的振动光谱的计算。分子力学方法系统地发展还是在50年代以后。通过选择一套势函数和从实验中得到的一套力常数，从给定的分子体系原子的空间坐标的初值，用分子力场描述的体系总能量对原子坐标的梯度，就可以通过多次迭代的数值算方法来得到合理的分子体系的结构。这样一个在物理上十分清楚的方法能否用到材料科学领域，关键在于分子力场能否描述广泛的材料分子。 分子力场近年来的发展[2-5]才使分子力学有了用武之地，计算机模拟方法，使不便区别化学特征的理论物理研究小组，进入了能在化学上区别的各种材料的分子设计实验室。早期的分子力场，如CFF，MM2，MMP2[6]，AMBER[7], CHARMM[8],等，仅能够描述有限的几种元素与一些轨道杂化的原子。在物理化学研究领域虽有很
高技术 原子力显微镜及其在各个研究领域的应用An Ato mic Force Micro sco p e and I ts A pp lication 刘延辉王弘孙大亮王民姚伟峰杨雪娜 (山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100) 在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重要的研究方向。在众多的科学领域里,人们希望实时地看到具体的真实变化过程,而不仅仅是根据前后的现象和关系来推理,这就需要高分辨率的显微镜。适应这种需要,许多用于表面结构分析的现代仪器问世,如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等,但是大多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界。在这之后,原子力显微镜出现了。 一、原子力显微镜的结构和工作原理 1982年,G erd Binnin g和H einrich R ohrer在I BM 公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scannin g tunnelin g m icrosco p e,ST M),这是扫描探针显微镜这一大家族的第一个成员,其发明人Binnin g和R ohrer因此获得1986年的诺贝尔物理奖。扫描隧道显微镜的工作原理是:当探针与样品表面间距小到纳米级时,经典力学认为探针与样品在这时是不导电的,但按照近代量子力学的观点,由于探针尖端的原子和样品表面的原子有波动性,两者的波函数相互叠加,故在它们间会有电流,该电流称隧道电流。ST M就是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。ST M要求样品表面能够导电,从而使得ST M只能直接观察导体和半导体的表面结构;对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证,且导电薄膜掩盖了物质表面的细节。 为了克服ST M的不足处,Binnin g、Quate和G er2 ber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介,把微悬臂放在样品和ST M的针尖之间,于1986年推出了原子力显微镜(atom ic force m icrosco p e,AFM)。AFM 是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此,AFM除导电样品外,还能够观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域更为广阔。它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌,可以补充ST M对样品观测得到的信息,且分辨率亦可达原子级水平,其横向分辨率可达2nm,纵向分辨率可达0.01nm。 AFM原理图 AFM的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(C antilever)和固定于其一端的针尖。 根据物理学原理,施加到C antilever末端力的表达式为:F=KΔZ。式中,ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为C antilever的弹性系数。 力的变化均可以通过C antilever检测。根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另一类是检测探针的角度变化。由于后者在Z 方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状,因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小。 微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:(1)较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移;(2)较高的力学共振频率;(3)高的横向刚性, 针尖与样品表面的摩擦不会使它发生 9 科技导报3/2003
第3章铁基块体非晶合金-纳米晶转变的动力学模拟过程3.1 Discover模块 3.1.1 原子力场的分配 在使用Discover模块建立基于力场的计算中，涉及几个步骤。主要有：选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non-bond cutoffs。 在这些步骤中，指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。然而，在某些情形下需要手动指定原子类型。原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。在为特定的系统确定能量和力时，定型原子使工作者能使用正确的力场参数。通常，原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行，所以不需要手动原子定型。然而，在特殊情形下，人们不得不手动的定型原子，以确保它们被正确地设置。 图 3-1 1）计算并显示原子类型：点击Edit→Atom Selection，如图3-1所示 图3-2 弹出对话框，如图3-2所示
从右边的…的元素周期表中选择Fe，再点Select，此时所建晶胞中所有Fe 原子都将被选中，原子被红色线圈住即表示原子被选中。再编辑集合，点击Edit →Edit Sets，如图3-3、3-4所示。 图3-3 图3-4 弹出对话框见图3-4，点击New...，给原子集合设定一个名字。这里设置为Fe，则3D视图中会显示“Fe”字样，再分配力场：在工具栏上点击Discover按钮，从下拉列表中选择Setup，显示Discover Setup对话框，选择Typing选项卡，见图3-5。 图3-5 在Forcefield types里选择相应原子力场，再点Assign（分配）按钮进行原子力场分配。注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态
原子力显微镜(AFM)原理 一、原理 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。 图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离 的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如“图1”所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作
用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。 为原子的直径为原子之间的距离 从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个?。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百?。 二、原子力显微镜的硬件架构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
分子模拟的基础，是准确计算原子之间的相互作用，包括组成同一分子的原子之间的成键相互作用，和不同分子间的范德华相互作用，有的分子间还有氢键相互作用。描述原子间的这些相互作用，有两种方式，一个是通过量子化学计算，另外一种方式就是采用分子力场计算。 分子力场的来源 我们知道，量子化学计算分子结构和原子、分子间相互作用比较准确，但是很慢；而采用分子力场计算就会很快，因为分子力场并不计算电子相互作用，它是对分子结构的一种简化模型，所以计算很快。在这个模型中，它把组成分子的原子看成是由弹簧连接起来的球，然后用简单的数学函数来描述球与球之间的相互作用。比如，氢分子，看做有弹簧链接的两个球的话，可以用胡克定律描述两个氢原子间的能量：E=k*(b-b0)^2。其中，b 表示两氢原子间距离，b0表示平衡时原子间距，k为键能系数，b0和K称为力场参数。更复杂一点可以用四次方表达： E=K1*(b-b0)^2+K2*(b-b0)^3+K3*(b-b0)^4，更多的参数可以获得对成键分子的更精确的描述。这是描述成键作用，不成键的原子间的相互作用则采用Legendre-Jones函数，或者Bukingham函数描述。 从上面可以看出来，力场用简单的数学函数描述原子间作用，称为分子力场，又叫分子力学力场。采用分子力场的分子模拟称为经典分子模拟。这是相对于采用量子力学计算的分子模拟来说的。那么，分子力学对分子结构和原子间相互作用描述的是否准确呢？这依赖于你所用的参数。而这些参数通常拟合自实验数据，或者量子化学结果。它属于经验描述，显然品质要低一些，但是由于计算速度快，适合于描述上千个乃至百万个原子的模拟，在这些情况下，我们无法采用量子力学计算，因此，只能采用经典模拟。 不同分子力场间的区别 分子力场有很多，比如生物模拟常用的AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS，材料领域常用的CFF, MMFF, COMPASS等等。他们的区别在哪里呢？一个力场通常包括三个部分：原子类型，势函数，和力场参数。也就是说不同的力场，他们的函数形式可能不一样，或者函数形式一样而力场参数不一样。其中，最关键的差别取决于分子力学模型，比如有的力场考虑氢键，有氢键函数；有的考虑极化，有极化函数。其次，分子力场参数都是拟合特定分子的数据而生成的，比如，面向生物模拟的力场选择生物领域的分子模拟得到参数，而材料的，则侧重选择材料方面的分子。这些被拟合的分子成为训练基（training set）。
高分子材料研究方法 姓名：管明章 专业：材料学 学号：200804054
原子力显微镜的原理及其在化学里的应用 扫描隧道显微镜(STM)能在多种实验环境下高分辨地实时观察导体和半导体的表面结构，提供了许多其他表面分析技术不能提供的新信息。但是STM只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导体材料往往采取覆盖导电膜的方法进行间接观察，而导电膜的存在往往掩盖了表面结构的细节，而且即使是导电材料，STM观察到的是对应于表面费米能级处的态密度，当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表面形貌和表面电子性质的综合结果。1986年Binnig等发明了第一台AFM[1]弥补了STM的不足。它不仅能给出样品的表面形貌，而且可得到样品表面在垂直方向的绝对高度。 1 原理[1,2] 原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力（原子力）测出表面的形貌。 探针尖端在小的轫性的悬臂上，当探针接触到样品表面时，产生的相互作用，以悬臂偏转形式检测。样品表面与探针之间的距离小于3－4nm，以及在它们之间检测到的作用力，小于10-8N。激光二极管的光线聚焦在悬臂的背面上。当悬臂在力的作用下弯曲时，反射光产生偏转，使用位敏光电检测器偏转角。然后通过计算机对采集到的数据进行处理，从而得到样品表面的三维图象。 完整的悬臂探针，置放于在受压电扫描器控制的样品表面，在三个方向上以精度水平0.1nm或更小的步宽进行扫描。一般，当在样品表面详细扫绘（XY轴）时，悬臂的位移反馈控制的Z轴作用下保存固定不变。以对扫描反应是反馈的Z 轴值被输入计算机处理，得出样品表面的观察图象（3D图象）。 图1 AFM的组成部分示意图 AFM的组成部分示意图见图1。 A:样品；B:AFM探针尖；C:探测器；D:微悬臂；E:调制压电陶瓷；F:氟橡胶；G: 压电晶体管；H: STM反馈；I:基架(铝)。 AFM必须具备以下要素：在弹性常数很小的悬臂上镶有非常尖锐的探针，具有低的弹性常数、高的力学共振频率、高的横向刚性、短的悬臂长度；探测悬臂能上下弯曲；监测和控制悬臂弯曲的反馈系统；机械扫描系统（主要是压电晶体管）是AFM最为关键的部件，是所得扫描信息的准确性与精确性的控制因素，它通过移动使样品相对探针作垂直方向的精密移动，以得到清晰图象；将所测数据转化图象的显示系统。一台具有标准扫描头(25μm)的AFM(如美国Burleigh公