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计算机在材料科学与工程中的应用 实验报告 na材料表面上分子的绑定能计算 实验二、基于分子力场的分子力学和分子动力学计算 实验目的: 掌握分子力学和分子动力学的模拟方法； 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； 熟悉Forcite模块的功能。 实验原理： 基于“Born-Oppenheimer”近似，可以将原子运动的Schr?dinger方程，分别表示为电子和核运动的Schr?dinger方程。直接求解核的运动方程，并将其中的能量以经验的力场函数表示，即为分子力学方法。如果将能量以力场形式表示，直接求解牛顿方程，就是分子动力学方法。 …………………………………..牛顿方程 3. 实验内容 实验1. 材料表面上分子的绑定能计算； 4. 实验设备和仪器 (1) 硬件：多台PC机和一台高性能计算服务器。 (2) 软件：主要利用Materials studio软件包里的Visualizer和Forcite模块。 5．实验方法和步骤 5.1建立材料表面和分子的结构模型 ①按照所研究表面材料的晶胞参数建立晶体结构。方法是可以自己建立模型，也可以在软件自带的结构库中直接读入结构文件。如：在菜单栏选择File | Import，进入structures/ metal/pure-metal文件夹，选择na.msi文件。 ②按照所需要的晶面对晶体进行切割。方法是在菜单栏中打开Build | Surfaces | Cleave Surface对话框， 调整晶面指数和表面厚度。默认的表面为（1 0 0），厚度为1.0，按下 Cleave 按钮。 ③将表面扩大为超晶胞结构。 方法是在菜单栏中选择Build | Symmetry | SuperCell， 调整U 和V的值，按下Create Supercell 按钮。 ④建立二维的表面环境。 方法是利用 Build Vacuum Slab工具建立三维的周期边界条件或利用Properties Explorer将其模型转化为 2D网格。 ⑤将分子放到材料表面上。新建一分子文件，并按分子的特点重新命名。 然后在主菜单栏中选择Edit | Copy； 在任务栏中双击表面分子文件，在主菜单栏选择Edit | Paste。 5.2运行分子力学和分子动力学运算 在工具栏中选择Forcite模块， 其对话框如下图。在Energy对话框中选择相应的力场，如Dreading, Compass和Universal等 步骤1：利用分子力学进行分子几何优化。在Setup对话框中，将Task项设置为 Geometry Optimization，标准设为 Fine。在Task后的More按钮中，可以设置Max iterations步和能量最小化的算法。默认算法为 Smart。按下Run按钮，开始运行计算。 优化成功： 优化参数： 优化表格： 步骤2：针对不同要求的进行各种模拟计算 1. 将Forcite模块的Task项设置为Energy, 标准设为 Fine，按下Run按钮，计算E分子。 计算成功： 得到分子能量： E分子=0.485709kcal/mol 2,计算表面能：将Forcite模块的Task项设置为Energy, 标准设为 Fine，按下Run按钮 E表面=-0.152959kcal/mol 3,计算总能量：将Forcite模块的Task项设置为Energy, 标准设为 Fine，按下Run按钮 计算成功： 得到能量： E总=3.980487kcal/mol 5 分析、讨论实验结果 实验1. 计算出分子在材料表面上的绑定能。计算公式： E绑定能=E总-（E表面+E分子） =3.980487kcal/mol-（-0.152959kcal/mol+0.485709kcal/mol） =3.647637kcal/mol Hn Φ(R) = EΦ(R) ……………………核运动的Schr?dinger方程 HeΦ(r;R) = EΦ(r;R) ………………电子运动的Schr?dinger方程 Hψ (R,r) = Eψ (R,r) ……………………...….. Schr?dinger方程