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1納米金屬材料研究的歷程

1.1一維的研究歷程作為機(jī)械系統(tǒng)的基本構(gòu)件的一維納米結(jié)構(gòu),其理論和實(shí)驗(yàn)研究受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注.在過(guò)去，由于納米絲的力學(xué)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的制約,在普通的實(shí)驗(yàn)室無(wú)法進(jìn)行,然而計(jì)算機(jī)模擬可以通過(guò)原子運(yùn)動(dòng)的演化過(guò)程展示納米結(jié)構(gòu)的變形情況及其內(nèi)在機(jī)理,有效彌補(bǔ)了這一缺陷.

1.1.1中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授倪向貴等眾多科學(xué)家對(duì)納米銅絲、納米鎳絲、等進(jìn)行了拉伸過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)放在納米結(jié)構(gòu)與能量應(yīng)力變化的模擬研究上面,以及表面效應(yīng)如何影響單晶納米材料的整體力學(xué)和原子運(yùn)動(dòng)的各種行為,根據(jù)反復(fù)的實(shí)踐和精確的計(jì)算，終于研究出了納米材料的破壞失效原理.這一實(shí)驗(yàn)同時(shí)也表明通過(guò)建立模擬模型和有效的計(jì)算方法能非常有效地模擬納米金屬材料在微觀(guān)方面的變化過(guò)程.

1.1.2梁海弋等一批科學(xué)家利用EAM原子勢(shì)函數(shù)的相關(guān)原理模擬研究了納米銅絲的拉伸性能.結(jié)果表明，截面的變化對(duì)直接影響納米絲拉伸性能.這是由于表面原子松散,納米絲的表面張應(yīng)力等綜合因素造成的.而且拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著納米絲截面減小而提高，同時(shí)會(huì)推遲屈服和增加初始拉伸模量的軟化程度.

1.2二維的研究歷程在納米薄膜的制備研究過(guò)程中,得出了很多薄膜生長(zhǎng)現(xiàn)象,人們需要對(duì)其從理論計(jì)算上進(jìn)行科學(xué)的解釋.日本的Huang等一批科學(xué)家對(duì)Au原子在MgO表面（100）點(diǎn)缺陷處的團(tuán)簇生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),同時(shí)也進(jìn)行了Au原子擴(kuò)散聚集對(duì)成膜的模擬研究;通過(guò)研究得出，原子的幾何形狀會(huì)隨著擴(kuò)散力的不同以及能量的不同而發(fā)生變化.我國(guó)知名科學(xué)家張慶瑜在分子動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上建立了氣相沉積原子動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)采用MonteCarlo方法對(duì)Au外延薄膜的初期生長(zhǎng)過(guò)程也進(jìn)行了模擬研究,指出了薄膜外延生長(zhǎng)會(huì)隨基體溫度的變化而發(fā)生怎樣的變化.劉祖黎等一批科學(xué)家采用MonteCarlo模型探索出了Pt/Pt（Ⅲ）薄膜生長(zhǎng)初始階段島的形貌與基底溫度之間的具體關(guān)系.模型中充分考慮了吸附原子擴(kuò)散、原子沉積與蒸發(fā)等過(guò)程,與過(guò)去的模型不同的是采用Morse勢(shì)來(lái)計(jì)算粒子之間的相互作用,并詳細(xì)充分考慮了臨近和次臨近原子所產(chǎn)生的影響.研究結(jié)果表明,島的形貌隨基底溫度的升高,從一個(gè)分形生長(zhǎng)到凝聚生長(zhǎng)的變化全過(guò)程.通過(guò)進(jìn)一步的深入研究表明,島的形貌和基底形貌兩者之間的關(guān)系會(huì)隨著基底溫度的升高發(fā)生顯著的變化,而基底溫度低時(shí),島的形狀與基底形貌沒(méi)有任何關(guān)聯(lián).

2目前計(jì)算機(jī)模擬研究需要解決的問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，納米金屬材料的計(jì)算模擬方法所采用的大多都是原子級(jí)模擬技術(shù),它是將納米金屬材料作為數(shù)量較多的單個(gè)金屬原子的集合體,并且將每個(gè)金屬原子當(dāng)作彼此獨(dú)立的研究單元來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)對(duì)其進(jìn)行規(guī)律性的描述,并預(yù)測(cè)納米金屬材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及功能.但是由于納米金屬材料自身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，以及它對(duì)周?chē)h(huán)境無(wú)法得到迅速的反應(yīng),所以目前還無(wú)法運(yùn)用相關(guān)的模擬技術(shù)來(lái)得到理想的答案.本人建議可以從以下方面進(jìn)行努力：

2.1選定模擬算法在進(jìn)行納米金屬材料分子動(dòng)力學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)當(dāng)是對(duì)包括金屬、氧化物、金屬氧化物等一系列的多原子體系實(shí)驗(yàn).因?yàn)樵娱g的作用是一個(gè)多體效應(yīng),在這個(gè)效應(yīng)當(dāng)中所有的粒子會(huì)全部聚集到一起,是無(wú)法采用解析的方法進(jìn)行求解的.這時(shí)我們可以選用有限差分方法來(lái)進(jìn)行求解,目前運(yùn)用的最多的包括：蛙跳法、預(yù)測(cè)-校正算法和Verlet算法三種類(lèi)型.值得注意的是，雖然目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,但是純粹依賴(lài)提高單個(gè)CPU的計(jì)算速度根本就不能滿(mǎn)足越來(lái)越繁瑣的計(jì)算需要,鑒于此，我們可以考慮進(jìn)行并行化進(jìn)行計(jì)算，這樣會(huì)更加有效.

2.2要充分考慮粒子間的相互作用微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)本來(lái)是需要使用量子力學(xué)來(lái)進(jìn)行描述的,但納米金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能往往會(huì)涉及到大量微觀(guān)粒子而且還是多體作用,因此用量子力學(xué)第一性原理來(lái)對(duì)粒子間相互作用求解并非易事,而絕大多數(shù)模擬認(rèn)為粒子的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓力學(xué)規(guī)律,因此可以考慮采用半經(jīng)驗(yàn)的原子間相互作用勢(shì)來(lái)對(duì)粒子間的作用進(jìn)行描述.一般來(lái)講，勢(shì)函數(shù)是否可靠決定了一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)模擬能否成功.原子或者離子間的相互作用勢(shì)越復(fù)雜、擬合性質(zhì)越多就越與實(shí)際的相互作用接近,不過(guò)越復(fù)雜的相互作用同時(shí)也會(huì)加大計(jì)算量和模擬量,因此在構(gòu)建或使用原子間相互作用勢(shì)的過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)所要研究的問(wèn)題的具體情況,選擇既能反映相互作用的本質(zhì),又可以在計(jì)算上切實(shí)可行的相互作用勢(shì).

2.3處理和分析模擬結(jié)果找到一種合適的分析模擬結(jié)果的方法對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的.通常情況下，模擬的軌跡文件只包含了各個(gè)粒子的位置、速度和力的相關(guān)信息,因此一定要對(duì)這些信息進(jìn)行有效的處理以后才能得到想要的物理量.而計(jì)算機(jī)模擬走向應(yīng)用的關(guān)鍵之處在于，找到合適的方法處理結(jié)果,將宏觀(guān)現(xiàn)象與微觀(guān)軌跡進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系.模擬結(jié)果的處理無(wú)疑會(huì)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,其重點(diǎn)問(wèn)題是要從MD模擬的軌跡文件中講可與實(shí)驗(yàn)直接比較的統(tǒng)計(jì)量提取出來(lái).除此之外,軌跡中的坐標(biāo)信息對(duì)于分析結(jié)構(gòu)體系信息也十分重要,而這卻是非常耗時(shí)的工作過(guò)程.

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在納米金屬材料科學(xué)研究領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,目前已經(jīng)成為材料研究人員的一個(gè)不可或缺的工具.我們也有理由相信,隨著更多材料科學(xué)家提高計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用水平以后,我國(guó)在分析納米金屬材料方面一定會(huì)取得更大的成效.

作者：黃華國(guó)單位：福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院