分子模拟中周期性边界条件对扩散计算修正的研究

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随着计算机技术和计算设备的迅速发展,利用计算机,运用分子动力学方法对物质的运动方式和微观结构进行数值模拟计算有了更大的发展空间。在分子动力学模拟中一般采用周期性边界条件来消除边界效应,并且为了方便起见,一般用立方体模拟盒子进行模拟计算。但是研究发现,在使用立方模拟盒子进行模拟时,周期性边界条件的存在会导致计算得到的扩散系数比无限大体系的扩散系数小,所以模拟计算的结果在与实验比较之前需要进行一个修正,并且针对不同形状的模拟盒子进行扩散计算时具有不同的修正系数。本文由流体力学理论入手,推导出了相应的修正公式,并且通过分子动力学方法模拟计算氩原子在不同情况下的扩散,对得到的修正公式的合理性进行验证。通过理论计算发现,立方体模拟盒三条主对称轴方向的扩散修正系数相等,都等于2.873。但是针对长方体模拟盒,沿着短边方向的扩散系数总是大于沿长边的扩散系数,并且有时在长方体模拟盒中模拟得到的扩散系数比无限大体系的扩散系数还要大,这说明此时的修正系数是一个负值。为了解释这一特殊现象,我们分析了扩散粒子周围流体的流动模型,发现扩散修正系数的正负与流体漩涡是否呈现出穿越整个体系的整体环绕态势有关。另外,在分子动力学模拟中,除了常见的立方体和长方体,还有两种特殊形状的模拟盒子可以使用:截角八面体和菱形十二面体。由于它们同样可以铺满整个空间而没有空隙,并且比立方盒子更加接近于球形的性质,所以这两种模拟盒子经常被应用于模拟生物分子相关的液体结构。本文首次对截角八面体和菱形十二面体模拟盒子的扩散进行修正并得到了相应的修正系数,通过模拟计算三种不同密度下的氩原子体系,验证了推导出的修正公式以及修正系数的正确性。
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