学习经典分子动力学基本知识和相关软件基本操作 （一）

原标题：从一篇 Nat. Comm. 学习经典分子动力学基本知识和相关软件基本操作 （一）

来源：研之成理

近期发现一篇纯分子动力学（MD）的 NC 文章，觉得很有意思，在这里跟大家分享一下。同时也想感慨一下，在现材料界 DFT 计算独霸天下的时代，经典 MD 计算能发一篇 NC，实属不易（特别是抗辐照材料研究领域）。本文不详细介绍研究背景，重点在于弄明白为什么金属铁在接受辐照后会形成 <100> 位错环。以下是文章题目：

先介绍一下经典分子动力学的原理以及这篇 NC 中所使用的基于该原理的计算软件 LAMMPS。简单点说，分子动力学是采用一种用来计算经典多体系的传递和平衡性质的确定性方法来求解复合体系的平衡和力学性质。根据体系内禀动力学规律来确定位置和形状的转变，通过跟踪系统中每个粒子的运动，然后根据统计物理规律，计算出相应的坐标与速度；进一步得出体系的演化情况。同时也可以得出体系的温度、压力、比热容以及弹性模量等材料性能，所模拟的体系遵循牛顿方程，即牛顿第二定律。

LAMMPS 即 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (大规模原子分子并行模拟器)，是由美国能源部桑迪亚国家实验室开发的一种开源的经典分子动力学模拟代码，百度一下 LAMMPS，很快就能找到官网并顺利下载。根据他人的使用评价以及自身的使用经历，可以得到结论是这个软件是真的很优秀，虽然没有交互式界面但是上手使用却很容易，而且该软件跨节点并行这一块做的也很好，版本也在不断更新，软件安装也像 VASP 一样逐渐优化，再也不用费心力的去更改 Makefile 了。

以此文章为例，这篇文章一共三张图（不含支撑材料），其中第一张图便是模拟过程的体系的演化示意图：

这张演化图清晰的展示级联碰撞从开始到结束这个过程中 <100> 位错环的产生过程。再详细介绍这张图之前，我们先简单的了解一个概念，即级联碰撞，其定义如下：固体材料受到载能离子轰击时，入射粒子与固体材料晶格原子会发生一系列的碰撞，这是引起辐照效应的最初始过程。入射的载能粒子通过弹性碰撞或非弹性碰撞方式将其中一部分能量转移给靶原子使其进入间隙位置，这些离开自己点阵位置的晶格原子称为初级移位原子（Primary Knock-on Atom, PKA）。这些具有能量的初级移位原子同样也可以撞击其他晶格原子并使之发生移位而形成二级移位碰撞原子（SKA）。同理，具有相当能量的二级碰撞原子用能击出三级移位碰撞原子（TKA），这样连续碰撞下去的过程被称为级联碰撞（Collision Cascade）。

这张图中的 a,b, c, d, e,f 分别表示级联碰撞过程的开始、级联碰撞过程达到了峰值（即产生的弗伦克尔缺陷对的数目达到了峰值）、观察到 <100> 位错环开始形成、<100> 位错环已经形成、形成了稳定的 <100> 位错环以及整个体系最后的稳定状态。

按照文章中的方法说明，我用 LAMMPS 软件简单的实现了一下这个过程，当然，结果是与文章中的结果没有可比性的，仅仅是想实现一下级联碰撞的过程。毕竟文章中所使用的最小的体系都包含 16000000 个原子，这个过程没有大量的计算资源是不太可能被重复的。

接下来我介绍一下我的使用 LAMMPS 的计算过程：

计算前我们需要准备两个文件，一个是 in 文件，类似于 VASP 计算的 INCAR 文件，另一个则是势文件，类似于 VASP 计算的 POTCAR 文件。至于计算的结构文件，及类似于 VASP 计算的 POSCAR 文件，这个在 LAMMPS 计算中可有可无，因为很多计算模型可以在 in文件构建(除非你的结构比较特别，你可以自己准备一个结构文件)。这次测试的 BCC 结构的铁模型就是可以直接在 in 文件中构建。

为了防止大家看我写的 in 文件头疼，我简单说明一下 in 文件的基本框架。虽说这个 in 文件的书写没有 INCAR 那么简单，不过写多了就会发现这比写 INCAR 有意思多了，可以充分发挥自己的想象力和创造力。需要在 in 文件中描述一个符合牛顿定律的模拟过程，内容大致包含三个部分：构建所模拟的体系，创造一个模拟环境的以及最后输出想得到的数据。以本次我写的 in 文件脚本为例（脚本中所有的命令都是 LAMMPS 中的基础命令）：

这里不详细讲解这些命令的意思和用法，不过这些都是 LAMMPS 软件的基本命令，其用法在 LAMMPS 官网上一查便清清楚楚，这里只是向大家展示一下。LAMMPS 的确能很容易完成级联碰撞这一过程，而且其脚本书写并不是很难，即：将一个合理的物理过程用命令的形式告诉 LAMMPS 软件，让它来预测在这些条件下，体系会发生怎么样的演变。

下面是我测试的结果（跟上述文章一样，蓝色原子代表空位，红色原子代表间隙原子）：

好的，这次就先介绍到这里，后续会为大家继续分析这篇 NC (利用 OVITO 软件分析位错环等等)，若有疏漏和不足的地方，期待大家的指正~。