分子动力学计算(武汉理工大学实验报告)
分子动力学模拟实验报告doc
分子动力学模拟实验报告篇一：分子动力学实验报告 md2分子动力学实验报告（ XX 至 XX 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：一、实验目的计算空位形成能和间隙原子形成能。
探究形成的空位和间隙原子所在的位置不同其形成能的变化。
以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形成能的变化。
二、实验原理点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物理和化学性质影响很大。
根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名如下：（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。
（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)置。
（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。
一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形成的热缺陷。
在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦克斯韦分布规律。
热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是在原来的平衡格点位置上留下空位。
根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。
点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观察。
而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶体性质的影响。
例如，通过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作用等方面展开间接的研究。
分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。
若我们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd口2_point（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。
分子动力学模拟与物理学计算
分子动力学模拟与物理学计算随着计算机技术的发展，分子动力学模拟和物理学计算已成为研究物质结构和性质的重要方法。
本文将简单介绍两种方法的基本原理和应用。
一、分子动力学模拟分子动力学模拟是利用牛顿力学和量子力学原理，通过计算分子间的相互作用和运动轨迹来模拟物质的结构和动力学行为的方法。
它是一种基于分子层面的物理学计算方法，可以模拟大分子的运动、液相和固相的相互作用、固体表面的化学反应等。
分子动力学模拟的基本思路是：将系统中的原子或分子看作质点，构建出系统的势能函数和受力方程，然后通过数值积分的方法来计算每个质点的位置和速度。
例如，对于气体分子的运动，可以通过统计力学的方法得到分子间的碰撞频率和速度分布，进而求解分子的平均速度、温度等性质。
分子动力学模拟也可以用来研究材料的物理性质和化学反应。
例如，可以用分子动力学模拟来研究DNA纳米线的结构和力学性质，以及钙离子在细胞膜中的扩散规律等。
此外，分子动力学模拟还可以模拟材料的加工过程，例如生长、热处理和机械加工等。
二、物理学计算物理学计算是一种基于物理原理的计算方法，用于研究各种物理现象和材料特性。
它主要应用于材料科学、化学、物理、生物等领域，可以模拟纳米材料、生命体系、表面反应、分子动力学等多种物理现象。
物理学计算主要包括量子化学计算、分子结构和动力学模拟、材料模拟和计算流体力学等。
其中，量子化学计算是利用量子力学的基本原理来计算分子和原子中电子的运动和相互作用的方法；分子结构和动力学模拟则是利用分子动力学模拟的思想来计算分子的结构和动力学行为的方法；材料模拟则是利用计算机模拟材料的物理、化学、力学、热学等特性的方法；计算流体力学则是利用数值方法对流体流动的特性进行计算的方法。
物理学计算在新材料的设计、工业生产和环境保护等方面发挥着重要作用。
例如，在新材料设计方面，可以通过物理学计算来预测新材料的性能，快速筛选出最有前途的材料，并进行实验验证；在环境保护和可持续发展方面，可以通过物理学计算来优化工业流程和减少排放，节省能源和材料，降低成本和污染。
基于分子动力学的常用力场算法及结果分析
基于分子动力学的常用力场算法及结果分析分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种用于模拟分子体系的计算方法。
它通过数值积分牛顿运动方程，在不同的时间步长上模拟分子系统中的粒子的运动轨迹，从而可以研究分子体系的结构、动态性质等。
在这个过程中，力场、算法和结果分析是MD模拟的三个重要方面。
常用力场：力场是描述粒子间相互作用的形式化数学模型。
传统的力场分为两类：力场拟合和量子力场。
力场拟合是通过拟合实验数据得到的经验势能函数。
常见的力场拟合方法有AMBER力场、CHARMM力场和GROMOS力场等。
而量子力场则是以量子力学理论为基础的理论方法，它通过求解电子结构问题进一步得到粒子的势能函数。
常见的量子力场有DFT力场（密度泛函理论力场）和Hartree-Fock力场等。
不同的力场适用于不同的体系和研究目的。
常用算法：MD模拟中常用的算法有Verlet算法、Leap-Frog算法和Velocity Verlet算法。
这些算法的核心思想都是利用牛顿力学中的数值积分方法对分子的运动方程进行求解。
Verlet算法通过使用离散时间点上的速度和位置信息来计算下一个时间点上的位置；Leap-Frog算法在计算速度和位置之间采用了半步的时间差；Velocity Verlet算法则在时间差计算上进一步改进了Leap-Frog算法，提高了计算精度。
此外，还有更高级的算法，如多时间步算法和并行计算等，以提高计算效率。
结果分析：MD模拟得到的结果可以通过多种方式进行分析。
最基本的分析方法是计算体系的物理性质，如能量、压力、温度等物理量的变化。
此外，还可以通过结构分析来研究分子体系的结构演变和特性。
结构分析常用的方法有径向分布函数分析、键长分析、键角分析等。
动力学性质的分析可以通过计算自相关函数、速度自由时间分布等来得到。
此外，模拟结果还可以通过与实验数据的对比来验证模拟的合理性，并根据实际问题选择合适的结果表达方式，如动画、图表等。
分子动力学结果分析
热力学性质
比热容的计算 在相变时 ， 比热容会呈现与温度相关的特征（对一级相变点 ， 比热容呈现无限大 ； 对二级相变点 ， 比热容呈现不连续变化） ， 因此监控比热容随温度的变化可以帮助探测到相变的发生。
NVT NPT
01
02
03
04
1 关联函数
动力学性质
自关联函数就是一个量对先前的值的记忆程度 ， 或者反过来说 ， 就是系统需要多长时间忘记先前的值。 一个简单例子是速度自关联函数意义就是０ 时刻的速度与时刻 t的速度关联程度。 一些关联函数可以通过系统内所有粒子求平均得到 ， 而另外一些关联函数是整个系统粒子的函 数。 速度自关联函数可以通过模拟过程对 N 个原子求平均得到 ， 即
pi 为质量 mi 粒子的总动量 ， N 为粒子总数 ， NC 为系统的受限制的自由度数目 ， 通常 NC＝ ３ 。
2
能 量 体系的热力学能可以很容易通过体系能量的系综平均得到 ， 即
压力通常通过虚功原理模拟得到。虚功定义为所有粒子坐标与作用在粒子上的力的乘积的和 ， 通常写为
式中 xi 为原子的坐标 ， 是动量沿坐标方向对时间的一阶导 数（根据牛顿定律 ， 为力） 。 虚功原理给出虚功等于 －３NkB T。
02
总结
如果单位体积的粒子数为 ρ ０ ， 则在半径 r到 r ＋ δr的球壳内的总粒子数为 ４πρ ０ r２δr ， 因此体积元中原子数随 r２变化。
Structural properties:
径向分布函数 g（r）是距离一个原子为 r时找到另一个原子的概率 ， g（r）是一个量纲为 １的量。 如果在半径 r到 r ＋ δr的球壳内的粒子数为 n（r） ， 由此可以得到径向分布函数 g（r）为
GPU加速分子动力学模拟的热力学量提取
（ 武汉理 工大 学 计 算机科 学与技 术 学院 ， 汉 ４ ０ ７ ） 武 ３ ０ ０ 摘 要 ：近年 来 ， 统一计 算设备 架构 （ Ｕ Ａ） Ｃ Ｄ 的提 出和 图形 处理 器（ Ｐ 快 速提 升 的并行 处理 能 力ห้องสมุดไป่ตู้数据 传输 Ｇ Ｕ）
能力， 使得 基 于 Ｃ Ｄ Ｕ Ａ的 Ｇ Ｕ通用计 算迅速成 为一 个研 究 热点 。针 对含 有 大规模 分 子动 力 学模拟 的 热 力学量 Ｐ
提 取 效 率 低 下 的 问题 ， 出 了分 子 动 力 学模 拟 的 热 力 学量 提 取 的 新 方 法 ， 用 Ｃ Ｄ 设 计 了并 行 算 法 ， 提 利 Ｕ Ａ 实现 了利
用 Ｇ Ｕ加速分 子动 力学模拟 的热 力 学 量提 取 。 实验 结 果表 明 ， 基 于 Ｃ Ｕ的 算 法相 比 ，Ｇ Ｕ 可 以提 高速 度 Ｐ 与 Ｐ Ｐ
数据缓存和指令流控制。Ｇ Ｕ特别适 合用来处 理单指令 多数 Ｐ 据流（ｉｇ ｓ ｕｔ ｎｍ ｌｐｅｄｔ，Ｉ Ｄ） ｓ ｌ ｉ ｔ ｃ ｏ ｕｔｌ ａ ＳＭ 任务 ， ｎ ｅｎ ｒ ｉ ｉ ａ 适用于算法密
集 、 度并 行 、 制 简单 、 多 个 阶段 执 行 且 吞 吐 量 比延迟 重要 高 控 分 的应 用 。 由于 Ｇ Ｕ是 专 门 为 图 形 图像 处 理 而 没计 的 硬 件 芯 Ｐ 片 ， 系结 构 较 Ｃ Ｕ大 大 简 化 ， 定 了其 在 数 据 流 处理 ［ 以 体 Ｐ 决 ＝ 可 获 得 较 高 的效 率 。最 新 的 Ｇ Ｕ 的浮 点 计 算 能 力 和 内存 带 宽 Ｐ 已经 大 大超 过 最 快 的 Ｃ Ｕ， 且 可 以进 行 大 规 模 的双 精 度 浮 点 Ｐ 并 数 并行 计 算 。一 个 类 Ｃ语 言 的 开 发 环境 — — 统 一 计 算 设 备架 构 （ｏ ｕｅ ｕ ｉｅ ｅｉ ｒｈｔ ｔｒ，Ｕ Ａ 技 术 的诞 生 开创 ｃｍｐｔ ｎｆ ｄｄｖ ｅａ ｉ ｃ ｅＣ Ｄ ） ｒ ｉ ｃ ｃ ｅｕ
分子动力学模拟实验报告doc
分子动力学模拟实验报告篇一：分子动力学实验报告 md2分子动力学实验报告（ XX 至 XX 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：一、实验目的计算空位形成能和间隙原子形成能。
探究形成的空位和间隙原子所在的位置不同其形成能的变化。
以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形成能的变化。
二、实验原理点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物理和化学性质影响很大。
根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名如下：（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。
（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)置。
（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。
一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形成的热缺陷。
在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦克斯韦分布规律。
热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是在原来的平衡格点位置上留下空位。
根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。
点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观察。
而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶体性质的影响。
例如，通过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作用等方面展开间接的研究。
分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。
若我们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd口2_point（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。
分子动力学计算
分子动力学计算分子动力学计算（MolecularDynamics，MD）是一种用于模拟分子系统动力学过程的计算技术。
它是20世纪70年代发展起来的，当时多位科学家对分子间的交互力和动力学过程进行了分子动力学研究，并建立起来了一种新的科学模型，即用于模拟分子间相互作用的称为Lennard-Jones势函数的函数，用于计算分子间的力和动力学过程。
从那时起，分子动力学计算就被认为是研究分子尺度物理化学过程的一种有效的方法。
简单来说，分子动力学计算是通过计算分子间的力和运动过程来模拟物理化学过程的。
在分子动力学计算中，将分子尺度研究所面临的问题看成了一个由多个粒子构成的分子系统，而这些粒子又由许多相互作用的分子构成。
将这个分子系统的时间发展看作是该系统强迫的状态变化，而这些强迫是由相互作用的分子产生的，因此，分子动力学计算的过程就是模拟如何由这些分子的动力学过程来影响分子系统的状态变化。
分子动力学计算的核心思想是将系统分为几个分子组成的分子集，每个分子集由若干原子或分子组成，然后利用模拟过程模拟分子间的相互作用力，建立分子间的动力学方程，结合时间发展，模拟系统的时间变化。
在实际的计算中，分子动力学计算的步骤主要分为：给定初始条件，比如温度、密度等；计算分子间的力、能量和动力学过程；计算系统的时间发展，模拟系统的动力学过程；利用动力学过程计算系统的结构和性质。
分子动力学计算作为一种模拟技术，在化学、物理和生物学研究中都有着重要的应用。
它可以用来模拟分子结构与属性之间的关系，模拟系统的可能状态变化，以及分子的形状、力学属性、活性表面性质等。
有了分子动力学计算，我们可以得到一些以前无法从实验中获得的结果，也可以提供一些有用的信息，比如材料活性表面的性质等，这都有助于我们更好地了解物理化学过程，实现更好的制备材料和制备新药物。
总的来说，分子动力学计算是一种有效的用于研究分子尺度物理化学过程的计算方法，它结合了力学、电子学、量子力学、统计物理学以及相关的数值方法，提供了大量的定量结果。
分子动力学中的分子运动
分子动力学中的分子运动分子动力学是计算物理学中的一种重要方法，它通过模拟分子的运动和相互作用来研究物质的性质和行为。
在这个模拟过程中，分子运动是非常关键的一个因素，它影响着物质的热力学性质、力学性质和电学性质等。
因此，我们有必要深入理解分子动力学中的分子运动。
原子和分子的运动状态原子和分子的运动状态可以由它们的速度、位移和角位置表述。
根据统计力学的理论，分子在温度为T时的动能是：K = (3/2)kT其中k为玻尔兹曼常数。
这个公式表明分子的动能与温度成正比，并且与分子的质量有关。
因此，当温度相同时，质量大的分子具有较小的动能，而质量小的分子则具有较大的动能。
另一方面，分子的位移可以用速度和时间来表述。
分子的运动轨迹是由其速度和位置的变化所决定的。
除了热力学作用外，分子间的相互作用也会影响它们的相对位置和运动轨迹。
分子的稳定性和不稳定性分子的稳定性取决于其内能和相互作用。
如果分子之间的相互吸引力能够抵消热力学作用引起的相互排斥，那么它们就可以保持较为稳定的状态。
相反，如果分子间的排斥力大于吸引力，那么它们就会变得不稳定。
当分子处于不稳定状态时，它们的动能会增加，而且它们的速度和位置也会变化。
这种运动状态被称为非平衡状态。
在分子动力学模拟中，研究非平衡态分子的运动是非常重要的，因为这可以帮助我们预测物质的热力学性质。
分子运动与热传导分子运动对热传导也有着很大的影响。
热传导是分子间能量转移的一种形式。
在分子动力学模拟中，我们可以通过研究分子的速度和位置变化来模拟热传导过程。
热传导的速率可以通过热传导系数来计算。
热传导系数与分子间的相互作用以及它们的质量和速度有关。
通常情况下，质量越小的分子对热传导的贡献越大，速度越快的分子对热传导的贡献也越大。
分子运动与物质的相变分子运动对物质的相变也有着很大的影响。
相变是物质在不同温度、压力、密度等条件下从一种状态转化为另一种状态的过程。
在分子动力学模拟中，我们可以通过研究分子的速度和位置变化来模拟物质的相变过程。
分子动力学计算(实验报告)
4.使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构a.Calculation,setup选项卡，Task改为TS Search。
more中确保Search protocol设置为Complete LST/QST,Quality设置为Mediumb.Job control选项卡，确保Automatic未被选中，输入TS作为Job description。
点击run第二部分：实验调试与结果分析三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）1.建立气体H2模型。
为使缩放过程明显，将H-H键长设为0.8埃Calculation中设置如下，模拟结构中原子在计算力影响下的移动2.建立Pd(111)表面模型，真空厚度为7.00埃3.将a=0.56, b=0.47, c=0.70的H1和a=0.47, b=0.56, c=0.70的H2原子到reactants中Pd表面。
后束缚全部的Pd原子。
4.在products中改变两个H原子的坐标，并使每个H原子键合一个Pd原子再使用CASTEP|Calculation优化几何结构，设置截图如下对reactants执行相同优化。
优化后两个原子文档如下5.对products和reactants的优化结构中的原子进行配对。
可见开始时0个原子被配对，8个原子未配对Auto Find后对对应的原子set match, 使两个文档中所有原子配对配对后Preview,事先确保number of frame值为10，得reactants-products.xtd轨迹文件6.使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构。
设置截图如下得TS.xsd文档。
对此文档进行Analysis,选择Energy evolution,点击view, 得TS.xtd及TS TSSeaarch.xcd图表文件。
点击图上不同点可查看轨迹文件中相应结构四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）1.在TS.CASTEP中搜索Transition State Found,结果如下：得（1）反应能量：0.06565eV（2）来自反应物的能垒：0.03465eV（3）来自产物的能垒：-0.03100eV2.点击TS Search图中不同点，可在TS.xtd中查看相应结构通过TS Search亦可得出反应活化能（起始点至反应峰顶）：E a=-4815.97-（-4819.59）=3.62eV五．思考题1.反应势垒是什么？答：物质在发生化学反应时，需要先破坏原有的化学键，这样就需要一定的能量，这个能量称之为化学势垒2.研究和了解反应的过渡态有什么意义？反应的过渡态：在反应物相互接近的反应进程中，出现一个能量比反应物与生成物均高的势能最高点，此势能最高点相对应的结构称为过渡态。
分子动力学计算
分子动力学计算
1分子动力学计算
分子动力学（MolecularDynamics，MD）计算是一种量化分子物理（quantummolecularphysics）方法，主要用于研究分子和组分结构、动态和反应过程。
它是以分子的实际力学动力学方程为基础，采用计算机模拟的方式来研究大体系的性质，并综合运用分子物理理论获得大分子和组分的结构和性质等信息。
2动力学计算方法
MD计算涉及以下几个方面：第一，建立分子体系的模型，用它对分子体系进行模拟；第二，利用实际的力学动力学方程定义相互作用的分子潜能；第三，采用某种解法计算相互作用的分子潜能所引起的动量转化；第四，根据所给的初始条件与编程的方法，模拟一段时间内的系统运动；第五，根据分子模型更新初始条件，对分子模型进行演化，以获取系统性质随着时间变化而变化的规律。
3应用领域
MD计算在许多方面都有着重要的应用，如材料科学、药物化学、分子生物学、化学工程、纳米科学等领域。
还可以在精细化学品加工、电子行业、汽车制造、机械加工等行业得到广泛应用。
MD计算还可以应用到生物流体动力学中，根据分子模型来绘制血液循环管道中各细胞、非物质小分子以及物质分子的空间分布状况，
以此模拟相关生物流体动力学过程，可以用来准确预测分子动力学中血液循环管道中扩散、传输等现象。
以上就是MD计算的基本概念以及应用领域，它已经发挥着重要的作用，为各个领域的研究提供了重要的参考依据。
分子动力学模拟报告
XX大学研究生院一篇关于graphyne及其家族物质力学性质的分子动力学研究的报告姓名: XXX 学号：XXX系部:专业: 物理化学班级: 2011级硕士班指导老师: XXX2012年 5 月 22graphyne及其家族物质力学性质-分子动力学研究的开题报告选题背景近几十年来，以石墨稀为基础的功能性材料一直是科研上的一个热门课题。
关于石墨稀及其家族分子的计算机模拟研究引起了人们的广泛关注。
现有研究表明分子动力学模拟是在分子水平上探究石墨稀及其相关分子的有效工具之一。
因此我们采用分子动力学的方法对石墨稀及其家族分子进行探究。
选题意义以石墨稀为基础的功能性材料由于它们的力学性能近些年来引起科学家们的深入研究。
这些分子的分子动力学模拟不仅在实践中帮助我们更好的了解石墨及其家族物质结构，从而更好的指导我们在生活实践中对于功能性材料的应用，而且在理论中可以帮助我们更加深入的了解这些分子的特性。
主要内容科学工作者在长期的科学研究实践中发现，当实验研究方法不能满足研究工作的需求时，用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息；尽管计算机模拟不能完全取代实验，但可以用来指导实验，并验证某些理论假设，从而促进理论和实验的发展。
特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节，在实验中基本上是无法获得的，而在计算机模拟中即可以方便地得到。
这种优点使分子动力学模拟在材料研究中显得非常有吸引力。
分子动力学MD (Molecular Dynamics)模拟就是用计算机方法来表示统计力学，作为实验的一个辅助手段。
MD模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统，求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程)，其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用下运动，通过分析系统中各粒子的受力情况，用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度，以确定粒子的运动状态，进而计算系统的结构和性质。
该模拟技术主要涉及粒子运动的动力学问题,与蒙特卡罗模拟方法(简称MC)相比,分子动力学是一种“确定性方法”,它所计算的是时间平均,而MC进行的是系综平均。
武汉理工大学实验报告模板
实验课程名称：_
实验项目名称
实验成绩
实 验 者
专业班级
组 别
同 组 者
实验日期
2013年5月4日
一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与法，主要仪器设备及耗材，实验案与技术路线等）
第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）
第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）
第三部分 结果与讨论（可加页）
一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）
二、小结、建议及体会
实验课程名称：_
实验项目名称
实验成绩
实 验 者
专业班级
组 别
同 组 者
实验日期
2013年4月10日
一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与法，主要仪器设备及耗材，实验案与技术路线等）
数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）
第三部分 结果与讨论（可加页）
一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）
学生学号
实验课成绩
学生实验报告书
实验课程名称
开 课 学 院
计算机科学与技术学院
指导教师姓名
学 生 姓 名
学生专业班级
2013
--
2014
学年
第
2
学期
实验课程名称：_
实验项目名称
实验成绩
实 验 者
专业班级
组 别
同 组 者
实验日期
2013年3月20日
一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与法，主要仪器设备及耗材，实验案与技术路线等）
计算物理实验报告
计算物理实验报告实验内容MD算法及程序专业凝聚态姓名王伟学号SX*******指导教师丁长庚日期2014-11-25一、目的意义(1)了解基本的分子动力学理论。
(2)进一步掌握熟悉Verlet 算法、Lennard-Jones 势以及分子演化过程。
(3)编写二维分子动力学演化程序，并计算相应的物理量。
二、内容要求编写一个简单的二维MD 程序。
初始时将给定的粒子放置到正方晶格上，每个粒子速度按随机分布（-0.5,0.5）区间。
用Lennard-Jones 势模拟，用Verlet 算法计算演化，输出粒子动能、势能、总能随时间变化曲线。
参数：Npart=256 T=1 box=16Tmax=0.008 deltaT=0.0000008三、问题解决的方法与算法方法：Lennard-Jones 势、Verlet 算法、周期性边界条件。
1、Lennard-Jones 势；1261(|r r |)=4*()ij i j i j i jU u r r =--∑∑ 对于不同分子动力学元胞内的粒子，如果相互作用是短程力我们可以 在长度=2c box r 处截断，这时为了使势能可导，(r )c U 必须要足够小，以 使截断不会显著地影响模拟结果，则增加一项截断补偿12614*()c c c U r r =- 即是0ij c U U U -⎧=⎨⎩||||i j c i j c r r r r r r -≤->，由势能可求得两分子间的作用力，即 ()x U x U f r x r r∂∂=-=-∂∂ 2、 Verlet 算法；已经知道力，用牛顿定律和级数展开 32'''4()t (t t)(t)v(t)t t (t )3!f t r r r m ∆+∆=+∆+∆++O ∆ 32'''4()t (t -t)(t)-v(t)t t -(t )3!f t r r r m ∆∆=∆+∆+O ∆ 243()(t t)2(t)-(t -t)t (t )(t t)-(t -t)(t)(t )2t f t r r r m r r v ⎧+∆=∆+∆+O ∆⎪⎪⇒⎨+∆∆⎪=+O ∆⎪∆⎩3、周期性边界条件；为了将分子动力学在元胞有限矩形内的模拟，扩展到真实大系统的模拟，我们通常采用周期性边界条件。
武汉理工大学《材料设计与理论计算》实验报告 完整版
武汉理工大学学生实验报告书实验课程名称材料设计与理论计算实验开课学院材料科学与工程学院指导老师姓名学生姓名学生专业班级2016 —2017 学年第2 学期Materials 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Windows98、2000、NT、Unix 以及Linux等多种操作平台的Materials Studio 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Materials 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。
其中Reflex模块用以模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。
可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。
模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。
包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。
粉末衍射指标化算法包括：TREOR90,DICVOL91,ITOandX-cell。
结构精修工具包括Rietveld精修和Pawley精修。
而Reflex Plus模块是对Reflex 的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的Powder Solve技术。
Reflex Plus 提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。
包括粉末指标化、Pawley精修、解结构以及Rietveld精修。
结构的全局搜索过程可以选用Monte Carlo模拟退火和Monte Carlo并行回火两种算法之一，求解过程中同时考虑到了优先取向的影响。
本实验还将使用MS.V AMP模块对结构进行模拟解析。
MS.V AMP模块是半经验的分子轨道程序，适用于有机和无机的分子体系。
分子动力学实验报告_md3
分子动力学实验报告（2014 至2015 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶格位错和层错成绩：一、实验目的（1）观测位错的位移场、应力场、应变场分布（2）计算静止位错的能量（与位错理论的计算结果比较）（3）澄清位错分解与层错能的关系二、实验原理1螺位错螺型位错；螺旋位错；screw dislocation;Burgers dislocation又称螺旋位错。
一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。
在中央轴线处即为一螺型位错。
假设在各向同性的介质中，UZ随着θ 角均匀的增大，可以得到位移UZ与θ 和r 的关系如下此即为螺位错的位移场公式。
也是在本次实验中，我们用来构造螺位错的依据。
首先，我们搭建一个完整晶体，以中心处为位错的核心，然后根据位移场公式相继移动体系内的每个原子，使其符合螺位错的位移场分布。
经过能量最小化后，我们可以得到一个稳定的含有螺位错的构型。
由于圆柱体只有沿z 方向的位移，因此只有切应变。
相应的，各应力分量为2．刃型位错滑移区与未滑移区之间的边界就称为位错。
这个位错的位置由挤入上半部分晶体的额外垂直半原子面的边缘标志。
在位错附近，晶体的形变可以看作是由于在晶体上半部分插入了一片额外的原子面所产生。
这个原子面的插入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的原子受到拉伸。
按照弹性力学理论可以得到，刃型位错的位移场诸分量为：相应的，各应力分量为：3．位错的应变能位错的能量可以分为两部分：位错中心畸变能Ec 和位错应力场引起的弹性应变能Ee。
位错中心区域由于点阵畸变很大，不能用胡克定律，而需借助于点阵模型直接考虑晶体结构和原子间的相互作用。
据估算，这部分能量大约为总应变能的1/10～1/15 左右，故常予以忽略，而以中心区域以外的弹性应变能代表位错的应变能，此项能量可以采取连续介质弹性模型根据单位长度位错所作的功求得。
分子动力学实验报告
分子动力学实验报告【摘要】本实验通过分子动力学模拟分子在不同温度下的运动，通过计算得到了体系的温度、压力以及粒子的位置和速度分布等信息。
在实验中发现，温度越高，分子的速度越快；温度越低，分子的速度越慢。
同时，压力的大小与温度呈正相关关系。
实验结果验证了理论模型对分子运动的描述。
【引言】分子动力学（Molecular Dynamics, MD）是一种模拟分子在时间和空间上运动的方法，通过计算分子间的相互作用力和位移来模拟粒子的运动行为。
分子动力学模拟常用于研究材料的力学性质、热学性质等。
【实验目的】1.了解分子动力学模拟分子运动的基本原理；2.通过分子动力学模拟，研究不同温度下分子的运动行为；3.分析分子速度分布和温度、压力之间的关系。
【实验方法】1.首先，在计算机上搭建分子动力学模拟的计算模型，并设置初始条件；2.通过模拟计算，得到分子体系在不同温度下的运动状态；3.分析分子的位置、速度、温度和压力等参数。
【实验结果】1.温度与分子速度关系的的实验结果如下图所示：(插入图表：温度-分子速度曲线图)实验结果表明，温度越高，分子速度越快；温度越低，分子速度越慢。
(插入图表：温度-压力曲线图)实验结果表明，压力的大小与温度呈正相关关系。
(插入图表：速度分布直方图)实验结果符合Maxwell-Boltzmann速度分布定律，即速度分布呈正态分布。
【实验讨论】1.通过实验证明了物体的温度与分子速度的关系，即温度越高，分子速度越大，与理论模型相符。
2.实验中还发现，温度与压力也存在正相关关系。
这与理论模型中的气体状态方程一致。
3. 实验结果表明分子速度分布呈正态分布，即Maxwell-Boltzmann速度分布定律成立。
【结论】通过分子动力学模拟实验，我们得到了分子的位置、速度、温度和压力等参数，并验证了理论模型对分子运动的描述。
实验结果表明，温度越高，分子速度越快；温度越低，分子速度越慢。
同时，压力的大小与温度呈正相关关系。
分子动力学计算
分子动力学计算今天，分子动力学计算已经成为许多科学领域中的重要方法。
它是一种以实验为基础的计算方法，能够以准确、可靠的方式对分子系统进行仔细的定量分析。
以下是关于分子动力学计算的更多细节。
分子动力学计算是一种功能计算，用于模拟分子系统的动力学行为。
它使用数学模型模拟分子系统的运动和变化。
它将物理规律和力学定律，如惯性、分子动力学原理和相互作用定律，写成数学模型，以计算其运动轨迹。
从而模拟它们如何在时间上发展，并给出相应的结论。
分子动力学计算在许多学科中都有重要作用，如物理化学、生物物理学和化学物理学等。
它可以用于研究和分析分子系统的各种性质，如分子形状、构型、耦合力和能量等。
它还可以模拟复杂的分子系统，如多体系统、精细力学及其他复杂的力学系统。
分子动力学计算的基础是它的数学模型，它们可以用来描述分子系统的力学行为。
常用的数学模型是旋转振动模型、势能模型、力学模型、分子偶联模型和统计模型。
每个模型都具有不同的功能，以描述分子系统的不同特性，从而优化计算结果。
分子动力学计算的最终结果可以用于推导分子系统的相关性质，从而为大规模定性分析和更复杂的定量分析提供参考。
此外，它还可以用于对系统提出不同的改进建议，以帮助计算结果的实际应用。
虽然分子动力学计算是一种强大有效的计算方法，但它也存在一些问题。
首先，它依赖于足够多的实验数据，以便准确地建立数学模型，否则模型将不可信。
其次，由于模型的复杂性，分子动力学计算的运算时间可能很长，并且在复杂系统上可能出现错误。
最后，目前只有少数分子动力学计算软件可用，其价格昂贵，并且有时受限于计算机硬件条件。
总之，分子动力学计算是一种非常有用的科学计算方法，它在许多科学领域中都有重要作用。
它能够以准确可靠的方式对分子系统进行仔细的定量分析，并可用于预测其不同性质。
然而，分子动力学计算仍然受到一些限制。
要想取得最佳结果，就需要足够的数据和准确的模型，另外还需要低成本的软件系统来进行计算。
分子动态学的计算与实验
分子动态学的计算与实验分子动态学是物理学、化学、生物学等领域的重要研究方向，它涉及到了分子的运动、相互作用和反应等多方面内容。
通过计算和实验手段，分子动态学研究可以深入探究分子的结构、性质和功能，为科学研究和工业应用提供了不可或缺的支撑。
下面我们将从计算和实验两个方面，介绍分子动态学的研究进展及应用。
一、计算分子动态学方法的发展分子动态学的计算方法主要包括量子化学分子动力学（QM-MD）和分子力学模拟（MM）。
前者利用量子力学原理，将分子的运动和作用力计算出来，得出分子的结构、能量和反应等信息；后者则采用经典力学，基于能量最小原则，模拟分子在不同条件下的运动轨迹和作用力，得出分子结构和相互作用的模型。
这两种方法各有优缺点，广泛应用于材料科学、生物医药、能源和环境等领域。
随着计算机技术的不断发展和理论模型的改进，QM-MD和MM的计算精度和可靠性得到了显著提升。
最近，越来越多的研究工作侧重于将QM-MD和MM进行耦合，利用两种计算方法的优势，更加准确地模拟分子的结构和反应过程。
尤其是在材料科学领域，选择正确的计算方法对于合成和优化新材料的设计至关重要。
因此，有必要深入研究不同材料系统中量子计算方法和经典模拟方法在结构预测、反应动力学和材料性质预测方面的应用能力。
这将极大地促进材料科学的发展，为材料设计和制造带来巨大的经济和社会效益。
二、分子动态学实验的研究进展与计算方法相比，实验研究对于验证和推动分子动态学研究具有重要作用。
现代分子动态学实验技术主要包括振动光谱、光离子成像、时间分辨荧光光谱和超快光谱等技术。
这些技术使得研究者能够实现分子结构和动力学的定量测量，并对分子参数进行调节，以便更好地理解分子反应和性质。
例如，光离子成像技术能够将分子的电子云和核的运动直接可视化，帮助研究者跟踪分子反应过程中的结构和能量转移。
而时间分辨荧光光谱则可以研究分子的电子和激发态动力学，以及环境对分子反应速率和路径的影响。
分子动力学实验报告
分子动力学实验报告实验名称平衡晶格常数和体弹模量实验目的1、学习Linux系统的指令2、学习lammps脚本的形式和内容实验原理原子、离子或分子在三维空间做规则的排列，相同的部分具有直线周期平移的特点。
为了描述晶体结构的周期性，人们提出了空间点阵的概念。
为了说明点阵排列的规律和特点，可以在点阵中去除一个具有代表性的基本单元作为点阵的组成单元，称为晶胞。
晶胞的大小一般是由晶格常数衡量的，它是表征晶体结构的一个重要基本参数。
在本次模拟实验中，给定Si集中典型立方晶体结构：fcc，bcc，sc，dc。
根据可判定dc结构是否能量最低，即是否最稳定材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。
弹性模量是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括杨氏模量、剪切模量、体积模量等。
在弹性变形范围内,物体的体应力与相应体应变之比的绝对值称为体弹模量。
表达式为B=−dP dV V⁄式中，P为体应力或物体受到的各向均匀的压强，dV V⁄为体积的相对变化。
对于立方晶胞，总能量可以表示为ε=ME，E为单个原子的结合能，M 为单位晶胞内的原子数。
晶胞体积可以表示为V=a3，那么压强P为P=−dεdV=−M3a2dEda故体积模量可以表示为根据实验第一部分算出的平衡晶格常数，以及能量与晶格间距的函数关系，可以求得对应晶格类型的体积模量。
并与现有数据进行对比。
实验过程（1）平衡晶格常数将share文件夹中关于第一次实验的文件夹拷贝到本地，其中包含势函数文件和input文件。
$ cp□-r□share/md_1□.$ cd□md_1$ cd□1_lattice通过LAMMPS执行in.diamond文件，得到输出文件，包括体系能量和cfg文件，log文件。
$ lmp□-i□in.diamond用gnuplot画图软件利用输出数据作图，得到晶格长度与体系能量的关系，能量最低处对应的晶格长度即是晶格常数。
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点击 More...按钮。
在 CASTEP Transition State Search 对话框中，确保Search protocol 被设置为 Complete LST/QST， Quality 被设置为 Medium。
关闭CASTEP Transition State Search 对话框。
确保其余设置与执行时几何结构优化计算时相同。
选择 Job Control 选项卡，确保 Automatic 复选框未被选中，输入 TS 作为Job description。
点击 Run 按钮，关闭 CASTEP Calculation 对话框。
确保TS.xsd 为活动文档，在工具栏上点击CASTEP 按钮，然后选择Analysis，或者从菜单栏选择 Modules | CASTEP | Analysis。
从 CASTEP Analysis 对话框顶部列表中选择 Energy evolution，点击 View。
一个包括过渡态搜索历史的图表文件 TS CASTEP TSSearch\TS TSSearch.xcd 显示出来。
从工具栏选择Chart Viewer Selection Mode 工具，双击 TS.xtd。
点击图上的不同点，以查看轨迹文件中相应的结构。
第二部分：实验调试与结果分析
三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）
1.建立气体H2模型。
为使缩放过程明显，将H-H键长设为0.8埃
Calculation中设置如下，模拟结构中原子在计算力影响下的移动
2.（1）输入 Pd 金属的晶体结构
（2）修改结构，参数设置如下：
（3）劈开表面
（4）移除出现在晶胞顶部的底层原子的对称图象
（5）创建reactant文件
（6）添加a=0.56, b=0.47, c=0.70的H1和a=0.47, b=0.56, c=0.70的H2原子到Pd表面。
束缚Pd原子
（7）在products中改变两个H原子的坐标，并使每个H原子键合一个Pd原子
（8）优化几何形态，设置如下
优化后两原子文档如下
（9）对products和reactants的优化结构中的原子进行配对（第一张为失败时截图）
初始无匹配
Auto Find后对对应的原子set match, 使两个文档中所有原子配对
（10）配对后Preview,事先确保number of frame值为10，得reactants-products.xtd轨迹文件
（11）使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构。
设置截图如下
得TS.xsd文档。
对此文档进行Analysis,选择Energy evolution,点击view, 得TS.xtd及TS TSSeaarch.xcd图表文件。
点击图上不同点可查看轨迹文件中相应结构。
四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、
综合分析和结论等）
1.在TS.CASTEP中搜索Transition State Found,结果如下
得（1）反应能量：0.06565eV
（2）来自反应物的能垒：0.03465eV
（3）来自产物的能垒：-0.03100eV
2.点击TS Search图中不同点，可在TS.xtd中查看相应结构
通过TS Search亦可得出反应活化能（起始点至反应峰顶）：
=-4815.97-（-4819.59）=3.62eV
E
a
五．思考题
1、反应势垒是什么？
答：物质在发生化学反应时，需要先破坏原有的化学键，这样就需要一定的能量，这个能量称之为化学势垒
2、研究和了解反应的过渡态有什么意义？
答：反应的过渡态：在反应物相互接近的反应进程中，出现一个能量比反应物与生成物均高的势能最高点，此势能最高点相对应的结构称为过渡态。
过渡态被认为是化学反应路径中所要经历的一个中间结构，极不稳定。
意义：研究和了解反应的过渡态可以认识化学反应的速率与分子结构的关系，可以形象了解基元反应的进程，，可以了解一个化学反应的进行过程。