为了使微观模拟系统反映宏观实验现象，需要通过周期性边界条件周期性地复制模拟对象系统，以避免实际中不存在的边缘效应。理论上，任何分子系统的理论研究都需要求解含时薛定谔方程。然而，在实际工作中，人们更多地关注原子核的运动轨迹，这可以通过使用波恩-奥本海默近似求解经典的机械运动方程来获得。阿尔德和温赖特曾说过，计算机模拟实验将成为连接宏观实验现象和微观本质的重要桥梁。在他们第一个分子动力学模拟实验十年后，法国物理学家Verlet提出了一套牛顿运动方程的积分算法，同时提出了另一套生成和记录相邻原子对的算法，从而大大简化了原子相互作用的计算。这两种算法在实践中仍然以一些变形的形式被广泛使用。
在过去的几十年里，许多原子模拟方法得到了发展，包括晶格静力学、晶格动力学、蒙特卡罗和分子动力学。其中，分子动力学特别适合研究塑性变形。它通过求解具有特定原子间相互作用势函数的原子相互作用系统的牛顿方程来研究变形过程中的实时行为，包括晶格不协调性、高度不均匀内应力和系统瞬态响应的影响。
分子动力学主要依靠牛顿力学来模拟分子系统的运动，从而从分子系统的不同状态组成的系统中提取样品，从而计算出系统的构型积分，并基于构型积分的结果进一步计算出系统的热力学量等宏观性质。它可以求解由原子核和电子组成的多体系统的运动方程，是一种可以解决由大量原子组成的系统动力学问题的计算方法。它不仅可以直接模拟物质的宏观演化特征，获得与实验结果一致或相似的计算结果，还可以提供微观结构、粒子运动及其与宏观性质关系的清晰图像，从而为新理论和新概念的发展提供有力的技术支持。
分子动力学的对象是粒子系统，系统中原子之间的相互作用用势函数来描述。因此，正确选择势函数的类型及其参数对仿真结果起着重要的作用。在大多数情况下，势能函数将分子的几何变形简化为只使用调和项和三角函数；然而，非键原子之间的相互作用仅由库仑相互作用和伦纳德-琼斯势的组合来描述。其中，原子间相互作用力的描述通常是经验或半经验的，可以提高计算效率，但不能完全揭示电子成键的多体性质，特别是对于缺陷附近与自身结构和化学相关的复杂自洽变分函数。Daw和Baskws的EAM势函数在一定程度上结合了电子键合的多体性质，将系统的总势能表示为:
其中Fi是原子I的嵌入能量函数；ρi是I处除第I个原子以外的所有原子产生的电子云密度之和；φ ij是ith原子和jth原子之间的势相互作用函数；Rij是第I个原子和第jth个原子之间的距离。
势函数的可靠性主要取决于力场参数的精度，可以通过拟合实验观测数据和量子力学从头算数据得到。目前，在生物大分子系统模拟中应用最广泛的分子力场是CHARMM力场和AMBER力场，它们是早期研究生物大分子的分子力场。现有的力场参数仍在优化，涵盖的分子类型也在扩大。粗粒度模型越来越受到计算生物物理研究的关注。由于该模型定义了粗粒度的粒子，对应于全原子模型中的多个原子或原子团甚至分子，减少了系统中的粒子数，大大提高了模拟时间和空之间的尺度，但同时也会丢失原子细节。基于该模型的分子动力学模拟适用于研究缓慢的生物现象或依赖于大组件的生物现象。
设计基本力场的基本原则是最小化单位时间步长计算能量的成本，从而最大化模拟规模。这对于整个原子力场尤其重要，甚至对于所谓的粗粒度模型也是如此。特别是，如果你想在微秒甚至毫秒的时间尺度上进行模拟，这个原理是极其重要的。
图1显示了分子动力学时间和空大小之间的反比关系。从左到右依次是:水，细胞的基本成分；牛胰蛋白酶抑制剂，一种酶，它的“呼吸”行为可以在毫秒时间尺度上进行研究；核糖体是一种复杂的生物装置，可以解码基因信息，产生蛋白质；紫色细菌的光合膜片段，有2500万个原子，显示了包埋在磷脂双层和光化学反应中心的光捕获复合物。
图1经典分子动力学中时间与空的标度关系
随着计算机处理器速度的快速增长和大规模并行计算架构的发展，大规模并行化或特殊架构技术与可扩展分子动力学程序的结合，计算机模拟包含了从位错到基于晶界的变形机制的整个晶粒尺寸范围，为探索材料系统研究的前沿领域开辟了新的途径。
例如，William Gonç alves等人利用Wolf BKS势函数描述原子间的相互作用力，利用大规模原子/分子并行模拟器LAMMPS研究分子动力学中二氧化硅气凝胶的弹性和强度。他们使用了速度-Verlet算法和1.0 fs时间步长，并在三个方向上使用了周期性边界条件。
图2是具有超过7，000，000个原子的模拟大体积样品的3D示意图，以及20nm厚的样品切片和局部放大视图。图3是803nm3气凝胶样品的单轴拉伸试验，获得300K时的应力-应变曲线，这是典型的韧性断裂图像，也是拉伸强度与样品体积之间的对数关系。根据他们的分析，为了保证对弹性等力学性能的正确评价，模拟样品的尺寸至少是孔径的8倍，而表面积极高的二氧化硅气凝胶需要相对较低的应变速率来保证准静态条件。
图2模拟二氧化硅气凝胶样品
图3单轴拉伸试验的应力应变曲线、强度与体积的关系及断裂图像
一般临界晶粒尺寸dc约为20-30nm，大晶粒尺寸的变形主要由位错决定；当晶粒尺寸小于30纳米时，GB变形过程占主导地位，当晶粒尺寸减小时，强度和流动应力会降低，即出现“反霍尔-佩奇效应”。然而，用于模拟fcc和bcc金属中GBs的多体和反电势之间的广泛比较表明，由这些不同的力描述预测的行为几乎没有质量差异，这表明多体效应可能不会主导GB行为。
B _ ejaud，J. Durinck等通过分子动力学模拟研究了形变孪晶与纳米结构Cu/Ag界面的相互作用，分析了界面结构对孪晶成核、膨胀和增厚的影响，阐述了错配界面位错网格的作用。图4显示了肖克利界面的部分位错网格、三角形图形和堆垛层错分布。其中，原子按照中心对称参数着色，蓝色原子处于完美FCC环境，红色原子处于堆垛层错或孪晶错。
图4是沿着界面:COC界面和TO界面的铜和银原子的俯视图。沿X =方向的侧视图显示，在COC界面和情况下，相干区与固有堆垛层错区和TO界面交替，并且双缺陷区连续存在于铜层和银层中
图5是应力-应变曲线和孪晶的原子比与应变之间的函数关系。通过分析，他们发现界面可以通过洛美位错直接或间接诱导孪晶位错的成核，以及异质界面结构如何影响机械孪晶过程的不同步骤，从而影响纳米结构铜/银中形成的孪晶尺寸。这种原子尺度方法为纳米复合材料的机械孪生过程提供了一些有用的理论依据。
图5应力应变曲线，孪晶原子比与应变的函数关系
设计多层材料来调节力学性能，同时控制变形机制是一个热门话题，因为孪晶允许纳米层和纳米孪晶材料力学性能的结合。在这方面，本研究为理解两个界面之间的相互作用机制提供了关键，并支持异质界面促进双胞胎的观点。
对于含有低对称性hcp结构金属的超细层状复合材料，由于大量异质界面可以有效吸收核辐照引起的空位和间隙原子等缺陷，而hcp金属本身具有密度低、比强度和比刚度高、导电性和导热性好等特点。近年来，由钛、锆、镁等金属组成的六方多层材料引起了人们的关注。然而，与晶体结构高度对称的fcc和bcc金属相比，hcp金属在室温下的塑性变形能力较差，限制了相关复合材料的使用。
除了原子尺度的inter 空和时间分辨率外，分子动力学模拟可以解释完全表征的理想化纳米晶体模型的界面结构、驱动力和原子机制。另一方面，在非常高的晶界和位错密度下可以观察到大的塑性变形行为。如位错成核机制、晶界湮灭、纳米晶al中的机械孪晶、晶粒尺寸减小时位错向晶界的变形机制、剪切带的观察及其与凹陷断裂面的关系等。
此外，在实际应用和研究过程中，动力学为不同的问题描述和选定的理论模型发展了许多理论分支。例如，宾夕法尼亚大学的韩健、斯潘塞·l·托马斯等人基于晶界动力学的断开描述，总结了多晶材料晶界动力学的概念，马铮等人研究了FeCO3的沉淀动力学，以及表面/界面动力学等。
1.通过分子动力学模拟的纳米晶体材料的变形:与实验的关系？材料学报，531–40
2.蔡，文生，克里斯托夫·奇波，高性能大规模分子动力学前沿.生物系统的分子动力学模拟35年，中国学报，DOI: 10.6023/A12110930
3.威廉·贡萨尔维斯，朱利安·莫托马斯，帕特里斯·尚特雷恩，米歇尔·佩雷斯，热涅维·伊夫·福雷，克里斯托夫·马丁，《二氧化硅气凝胶的弹性和强度:大体积的分子动力学研究》，材料学报145165-174
4.纳米结构铜/银中的双界面相互作用:分子动力学研究，材料学报144314-324
5.韩健，斯潘塞·托马斯，大卫·斯罗洛维兹，晶界动力学:统一方法，材料科学进展98386–476
6.马铮，杨洋，布鲁斯·布朗，马克·辛格，EQCM对三氯化铁沉淀动力学的研究，腐蚀科学141195–202
7.恩佐德勒洛·宾瓦，塞马卡伦·贝瓦纳，马尔科·豪曼，赖努特·梅杰布姆，《辣木氧化动力学再探:表面动力学分析》，应用表面科学426497–503
本文由材料科学与技术顾问张博士供稿。
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