原子间势能与力场

分子动力学模拟的质量取决于其所使用的力，而这些力来源于原子间势能和力场，它们是描述原子如何根据其排列进行吸引、排斥和键合的数学模型。

Definition

原子间势能或力场是一个函数，它根据原子的位置给出原子系统的势能，其负梯度提供了驱动分子动力学或蒙特卡洛模拟的力。

Scope

本主题涵盖了经典模拟中提供力的模型：例如Lennard-Jones势等对势、例如嵌入原子法等多体金属势，以及包含键合和非键合项的分子力场。它讨论了势能如何参数化、其可转移性以及如何处理长程相互作用。

Core questions

• Lennard-Jones等对势如何捕捉原子间的排斥和吸引？
• 为什么金属和共价固体需要多体势而非对势？
• 分子力场如何分解为键合和非键合项？
• 长程静电相互作用如何高效求和？

Key theories

对势

Lennard-Jones势用两个参数模拟陡峭的短程排斥和较弱的长程吸引，为惰性气体提供了简单而真实的描述，也是模拟的标准模型。

多体势和嵌入原子势

在金属中，原子的能量取决于其所有邻居的局部电子密度，这由嵌入原子法和相关的多体势捕捉，而对势模型无法重现这一点。

分子力场

分子力场将键伸缩、角弯曲和扭转的键合项与非键合的范德华力和静电项相加，并根据实验和量子计算进行参数化。

Clinical relevance

势能的选择决定了模拟是否能忠实地再现结构、相行为、机械响应和反应能量学，这使得力场开发成为材料建模、软物质和生物分子模拟的核心。

History

Lennard-Jones在20世纪20年代根据气体状态方程数据引入了他的对势；更丰富的多体势，如嵌入原子法，在20世纪80年代出现并用于金属，生物分子力场也同时发展，而机器学习势能则在近期才出现。

Debates

力场的可转移性与准确性

针对一组条件拟合的势能可能无法转移到其他条件，简单、可转移的形式与高度准确但拟合范围狭窄的势能（包括现代机器学习势能）之间存在持续的张力。

Key figures

• John Lennard-Jones
• Murray Daw
• Michael Baskes

Seminal works

• lennardjones1924
• daw1984

Frequently asked questions

为什么单一势能无法描述所有材料？

不同的键合类型，如金属键、离子键、共价键和范德华键，具有本质上不同的物理特性，因此为一种类型调整的势能往往在另一种类型上失效。因此，势能是针对特定类别的系统和条件进行开发和验证的。

为什么长程静电相互作用需要特殊处理？

库仑相互作用衰减缓慢，不能简单截断而不产生伪影，因此在周期性边界条件下，使用Ewald求和及其基于网格的变体等方法来准确高效地对其进行求和。