دید کلی
روش دینامیک مولکولی
- در بررسی دینامیک مولکولی ، ابتدا سیستمی شامل n ذره در داخل جعبه‌ای به نام جعبه محاسبات در نظر گرفته می‌شود. در شبیه سازیهای سه‌بعدی جعبه محاسبات معمولا به شکل مکعب انتخاب می‌شود. اما بنا به ضرورت می‌توان آن را به شکلهای دیگری نیز انتخاب کرد. مکان اولیه ذرات ، با توجه به چگالی ماده و بسته به اینکه سیستم مورد نظر بلور یا غیر بلور است. تعیین می‌شود. شرایط اولیه دیگری که به سیستم اعمال می‌شود، انتساب سرعتهای معین به ذرات است. آن سرعتها طوری انتخاب می‌شوند که تکانه خطی کل سیستم ، صفر ، و میانگین انرژی جنبشی ذرات آن ، مبین دمای مورد نظر باشد. با دانستن قانون نیرو پتانسیل بین دو ذره ، این مدل ، از نظر ریاضی قابل حل است. به این ترتیب که برای هر ذره ، جمع نیروهای وارد بر آن را در اثر وجود بقیه ذرات محاسبه کرده و شکل دیفرانسیل قانون دوم نیوتن را می‌نویسم.
- برای n ذره تعداد 6n معادله دیفرانسیلی معمولی خواهیم داشت. حل تحلیلی این دستگاه معادله‌ها وقتی که n بزرگتر از 2 است دچار اشکال می‌شود. اما حل عددی آنها کار آسانی است. معادله‌های دیفرانسیلی پیوند را به معادله‌های تفاضلی گسسته تبدیل می‌کنیم و آن وقت با استفاده از گام زمانی مناسب ، می‌توانیم مکان و سرعت همه ذرات در هر گام به دست بیاوریم. با دانستن مکان و سرعت ذرات در هر گام می‌توان تمام خواص استاتیکی و دینامیکی سیستم را محاسبه کرد. از دیدگاه نظریه پردازان ، اهمیت بررسیهای دینامیک مولکولی در این است که نتیج شبه تجربی دقیقی را برای یک مدل کاملا مشخص فراهم می‌کند. بنابراین استنتاجهای نظری را می‌توان با اطمینان به کمک تجربه گذاشت.
کاربردهای دینامیک مولکولی
روش
دینامیک مولکولی ، قابلیتهای متنوعی دارد که آن را برای هر دو گروه نظریه پرداز و آزمایشگر جالب می‌کند. از جمله توانایی در وصول نتایجی که به آسانی در
آزمایشگاه قابل
اندازه گیری نیستند و دسترسی به جزئیات سیستم در هر زمان و مکان اتمام آزمایش در شرایط جالب و احیانا غیر فیزیکی می‌سازد.
تفاوت مدل کامپیوتری از جهانی با سیستم فیزیکی
- در هر شبیه سازی ، ذرات بنابر پتانسیل مفروضی برهم کنش می‌کنند، اگرچه این امر برای آزمودن و اصلاح نظریه ، امتیاز بزرگی است. اما نتایج حاصل از شبیه سازی به خاطر عدم اطمینان قانون حاکم بر نیروی ذرات ، تردید آمیز است.
- برای حل عددی معادله‌های حرکت باید به جای معادله‌های پیوسته معادله‌های تفاضلی متناهی بنویسیم و از آنجا مقادیر مکان و سرعت را در هر گام زمانی پیدا کنیم. طول گام زمانی به عواملی از قبیل دما ، چگالی و جرم ذرات ، و شکل پتانسیل بستگی دارد. گام زمانی متعارف برای چنین محاسبه‌هایی در حدود fs (10-5 ثانیه) است. با این گام زمانی ، شبیه سازی یک سیستم حتی برای یک ثانیه واقعی نیز کاملا غیر ممکن می‌شود. بنابراین اگرچه محاسبات دینامیک مولکولی می‌توان پدیده‌هایی را آزمود که در زمانهای بسیار کوتاه اتفاق نمی‌افتند. اما این محاسبات توانایی شبیه سازی پدیده را برای زمانی مشابه آنچه در آزمایشگاه قابل اندازه گیری است ندارد.
- در هر شبیه سازی ، بیشتر وقت کامپیوتر ، صرف محاسبه نیرو می‌شود. حتی اگر همه برهم کنشها را یکی یکی حساب نکنیم و از روشهای پیشرفته بهره بگیریم، تعداد ذرات موجود در سیستم مورد مطالعه را نمی‌توان بیش از چند هزار انتخاب کرد. در نتیجه ، تعداد ذرات تحت مطالعه در شبیه سازی ، به مراتب از تعداد سیستم واقعی کمتر است. برای نزدیک شدن به خواص سیستمهای واقعی و رفع این کمبودها ، تمهیدات مختلفی اعمال می‌شود.
شبیه سازی ساختار یک نوع شیشه
مطالعه ساختار میکروسکوپی
مواد غیر بلوری ، همواره مورد علاقه زیادی بوده است. این مواد به خاطر کاربردهای فراوان صنعتی توجه زیادی را به خود معطوف داشته‌اند. در اینجا به ذکر شبیه سازی یک نمونه از این گونه موارد یعنی شیشه‌های بر پایه
فلوئور می‌پردازیم. این نوع شیشه از دسته شیشه‌های غیر اکسیدی است. در
مخابرات با
تارهای نوری کاربردهای روز افزون دارد.
به دلیل
ساختار غیر بلوری این گونه مواد محدودیتهایی در مطالعه تجربی و نظری ساختار میکروسکوپیکی آنها وجود دارد و به همین جهت شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به عنوان روش مناسبی برای این مطالعات به کار گرفته می‌شود. یعنی از نتایج شبیه سازی یک سیستم شیشه‌ای
فلوئور با (Zr ، Ba ، Na) گزارش می‌شود. این سیستم شامل 57% و ZeF و 21.5% BaF و 21.5% NaF است.
شبیه سازی یک شیشه به روش دینامیک مولکولی
- انتخاب یک نوع پتانسیل مناسب یا محاسبه و تنظیم ضرایب پتانسیل
- شبیه سازی مایع در دمای بالا تا رسیدن به تعادل
- سرد کردن ناگهانی مایع
- شبیه سازی شیشه در دمای اتاق و جمع آوری داده‌های مورد نظر
- تحلیل داده‌های بدست آمده
مباحث مرتبط با عنوان
