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adf:viscosity

粘度:通过自相关函数与Green-Kubo公式计算粘度

Green-Kubo公式: 其中:

  • η为粘度
  • V为体积
  • Kb为玻尔兹曼常数
  • T为温度
  • Pαβ为压力张量的非对角项
  • <Pαβ(0)Pαβ(t)>即压力张量自相关函数对所有时间原点、所有非对角分量的平均

因为粘度的计算不涉及反应,因此除了使用ReaxFF外,也可以使用Force Field模块中其他力场(例如GAFF力场)或机器学习势,甚至也可以使用第一性原理进行分子动力学模拟,从而类似地生成粘度信息。分子动力学的参数设置大同小异,只是Main面板的参数设置有所差别。

这里以苯为例,室温下苯的粘度实验值为0.5 mPa s。本文计算粘度是通过分子动力学,因此单组份、多组分混合物都是适用的,文末介绍了使用QSPR方法计算粘度,只适用于单组份液体。

模型

AMSinput - Edit - Builder,设置晶格常数为26.666*26.666*26.666 Å3,并加入128个Benzene分子(创建分子混合物参考教程:【入门基础教程】创建均匀混合物),从而密度与实验密度尽量接近:

注意体系的大小,会严重影响粘度的计算数值,因此体系规模应该大一些,这样粘度数值可靠性强一些(统涨洛误差减弱)。

ReaxFF分子动力学参数设置

基本的设置(周期性一定要确保为Bulk): 由于不关心化学反应,因此步长不需要太小,1fs就可以了,但是运动轨迹对粘度非常重要,因此每隔5fs就需要保存一次轨迹(甚至可以更小),关于动量、角动量守恒的限制也可以去掉(起始温度也可以不设置,因为后面Thermostat会设置温度): 温度的设置: 这里不建议使用NPT系综(因此不需要设置Barostat),因为Green-Kubo公式中有体积,如果使用NPT系综,则体积会发生变化,从而导致求解非常麻烦,另外液体在特定温度下,密度是确定的,所以使用NVT系综即可。

保存作业并运行。在logfile里面,确保Pressure一列有具体数值。如果使用ForceField模块,则未必有这个数值,有可能是“n/a”,那就需要增加设置:Model → MD → Trajectory Options后面的详细设置按钮 → 勾选Calculate pressure(为了减小计算量,可以去掉Write velocities、Write charges、Write bonds、Write molecules选项)。

结果分析与处理

压力张量自相关函数的计算范围,必须是动力学模拟达到平衡之后的时间。所以如果体系事先经过弛豫,则除去前面少量帧数,后面大量帧数都可以使用,如果没有弛豫,在势能达到稳定前的帧数,是不能用的。

从Movie中显示的势能的结果来看,300帧的时候,就接近平衡状态了,因此我们可以从300帧开始生成自相关函数(总共12001帧,模拟时间太短,帧数太少,会导致粘度数据不可靠):

MD Properties - Autocorrelation Function…

  • Steps设置为300-12001
  • Property设置为Pressure Tensor
  • Atoms:在Movie窗口Ctrl A选中所有原子,然后点击此处的➕。这里也可以留白不处理,也表示将所有原子纳入考虑
  • Vector elements设置为4 5 6,表示Pyz、Pxz、Pxy (当然1、2、3表示Pxx、Pyy、Pzz),不过粘度只跟非对角项有关,所以这里必须填入4 5 6
  • Max ACF Step建议设置为3000帧(可以更大,但是一定要小于总帧数的一半),即大致为15 ps左右

点击Generate ACF按钮,即可生成相关的几个函数,这里我们需要关心的是其中的积分函数,这个函数就是Green-Kubo公式中的积分。如下图绿色框所示,积分值为1.25283 × 10-10 Hartree2fs/Borh6

带入Green-Kubo公式,并统一到国际标准单位:

  • V = 26.6243 Å3 = 18872 Å3 = 18872 × 10-30 m
  • KbT = 1.38 × 10−23 × 298 J
  • 1 hartree bohr-3 = 2.942 × 1013 Pa
  • 1 fs= 10-15 s

因此粘度η = [18872 × 10-30 / (1.38 × 10−23 × 298) ] × 1.25283 × 10-10 × (2.942 × 1013)2 × 10-15 = 0.0005 Pa s= 0.5 mPa s

与实验符合的极好。

AMS2024版以后,该输出单位改为了Js/m3

补充:QSPR预测粘度

adf/viscosity.txt · 最后更改: 2024/11/20 13:58 由 liu.jun

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