目录

纳米球形反应器:加速低温均相反应

该功能在AMS2023中首次发布,主要工作原理:创建一个球形反应容器,通过周期性的膨胀、收缩,增大分子间的碰撞概率,从而促进反应事件的发生。该功能适用于基于ADF、BAND、DFTB、MOPAC、ReaxFF、机器学习势等所有力场的分子动力学。这里选用最常用的ReaxFF-MD来演示其用法与含义,通过这个例子也可以看到这种方法非常有效、普适性强(可能唯独不适用于固体表面,但对这种情况,也可以通过纳米颗粒代替表面)。

模型

该功能需要关闭周期性,因此如果基于DFT,则ADF是一个很好的选择。建模思想:创建一个大的常规均匀混合物体系,例如Cell边长为140埃,坐标原点在Cell的中心,从坐标原点为中心,选中一个指定半径远小于Cell边长一半的球(例如本例62埃),然后删除球外分子。以这个球为原始模型进行膨胀弛豫、迅速收缩。

创建普通混合物体系,

并显示坐标轴(View → Axes),且修改Periodicity为None。然后在坐标原点处(原点附近也可,不需要精确),添加一个Xx原子,并选中该Xx原子:

菜单栏Select → Select within Radius,输入62回车,此时选中了半径为62埃的一个球形体积内的原子。按Ctrl m键,相关的分子被选中,这是为了让球边缘的分子整个分子都被选中。然后Select → Invert Selcection反选,然后del键删除这些原子,从而只保留了球形空间内的分子。如此模型就创建好了(实际上有部分原子在62埃半径之外,但一般不影响效果)。

参数设置

常规分子动力学参数设置

注意这是一个没有周期性的体系,因此只能设置温度,不能设置压强:

纳米反应器的设置

  1. 动力学过程详解:整个分子动力学过程将循环执行如下两个过程。其中,过程1持续时间为1.8万步,隐形球壳的半径为62埃,原子可以穿过球壳出去,但受到一个约束力,因此并不能跑太远,这个力一般很小,例如0.000001。1.8万步后(充分扩散、蓬松),开始过程2:隐形球壳迅速收缩,将所有原子往半径为40埃的球空间内驱赶,驱赶力一般比较大,例如0.001,并保持这种驱赶力2000步。2000步后,隐形空间扩大到62埃,原子可以自由扩散……如此循环。
  2. 数值设置详解:
    1. 扩撒过程一般较慢,所以大体积这个Reactor的liftime会设置的非常长,让分子充分扩散开,半径差值(此处为62-40=22埃)越大,需要的lifetime越长,基本上正比关系,当然用户可以根据需要略微加长(这里已经非常短了,刚好够扩撒均匀)。力常数则与半径成反比。
    2. 快速收缩的这个Reactor,本例中,力常数略微偏大,如果这个力常数太大,有可能会导致分子碰撞太剧烈,使得过程太过于脱离现实,甚至将大分子扯断,因此用户可以将力常数减半。那么半径差值(此处为62-40=22埃)越大,这个收缩步骤Reactor的lifetime也就需要越长,否则收缩还没有完成,就又该放开了。但本例中2000略短了,建议用户调整到5000-10000。收缩力常数一般较大,但不能太大,本例中0.001略偏大,建议调整到0.0002。
  3. 总的思路与原则:通过不断的收缩膨胀,能够促进碰撞。但是收缩的力不能太大,导致收缩速度过快,从而失真;收缩的尺寸不能太小,导致密度过大;膨胀的时间要足够长,使得体系充分“蓬松化”。
  4. Reactor的个数:这里只设置了2个,动力学过程循环执行这2个反应器。用户也可以灵活运行,例如设置5个Reactor,半径从62到40逐渐过渡,当然力常数也逐渐从0.000001过渡到0.001。如此动力学过程将依次执行这5个Reactor,并循环。

保存作业,并提交运行。

结果查看

通过动画,我们可以非常清楚地看到这个方法的效果:

我们看看反应产物H2O的情况:

作为对比,我们在完全相同的条件下,去掉纳米反应器,进行标准分子动力学模拟,会发现几乎没有什么反应,连1个H2O都没有生产。从原理上来讲,纳米反应器相当于一个微观搅拌系统,增大了分子间的碰撞几率,同时让中间产物扩散的更均匀,从而能够非常有效地促进反应。