CSH初始晶胞优化细节与模拟准备:细节调整、实验验证及数据转换指南

已经构建好的CSH初始晶胞,模型经过删除硅链,吸水饱和,基于ClayFF力场,且模型化学组成,密度,钙硅比,Qn分布均与实验值符合,拉伸结果也与文献结果匹配。 晶胞文件提供ms文件,可根据具体的模拟需要进行扩胞或者切割组装。 根据需要可自行专为lammps中的data文件,不含代码。

最近在折腾CSH模拟的朋友们看过来,发现个挺有意思的初始模型。这个基于ClayFF力场的晶胞文件已经完成硅链删除和吸水饱和处理,实测密度2.1g/cm³左右晃荡,钙硅比卡在1.7这个关键值,Qn分布更是和文献里的魔幻三角区完美重叠。最妙的是拉伸曲线和那篇被引爆的Langmuir论文里的图三几乎能玩找不同游戏。

拿到ms文件别急着开跑,先看看晶胞尺寸。原始模型约3.5nm边长,做界面反应可能得扩到10nm量级。举个栗子,用Materials Studio的Build→Symmetry→Supercell功能,三轴各扩两倍,记得勾选"Disconnect molecules"防止键连错乱。这时候体系原子数会飙到5万+,建议先存个xsd备用。

转换lammps的data文件时,推荐用msi2lmp这把瑞士军刀。但要注意ClayFF的原子类型匹配,特别是水分子里的Ow和Hw别被认成普通O和H。这里有个骚操作:在转换前用Notepad++批量替换pdb文件里的原子类型标记,比直接改力场参数文件省事得多。转换命令长这样:

msi2lmp.exe csh -class 2 -frc clayff -ignore > convert.log

重点盯着日志文件里的valence项,出现"Missing parameters"八成是硅羟基没处理好,得回头检查键连接。

跑拉伸模拟时边界条件设置是门艺术。个人喜欢先NPT弛豫200ps让体系松快松快,再用fix deform玩匀速拉伸。这里有个坑:应变率别照搬金属模拟那套,CSH建议用1e8/s的量级更合理。分享段关键配置:

fix 1 all deform 1 x erate 0.001 units box
thermo 100
thermo_style custom step vol density press pxx pyy pzz

盯着pzz的变化曲线,当应力值开始坐过山车往下掉的时候,就是材料认怂开裂的瞬间。记得用OVITO做实时可视化,能看到纳米级的裂纹怎么从薄弱处长出枝状分叉,比看股票走势刺激多了。

验证模型别忘了这几个checklist:径向分布函数g(r)在2.3Å处有没有明显的Ca-O峰;Q2/Q1比例是不是维持在3:1左右;水分子扩散系数是否在1e-9 m²/s量级。这些指标但凡有个跑偏,建议直接回炉重造别头铁。

最后说个玄学问题:同样的参数跑三次可能出三套不同结果,这不是代码bug,是CSH天生的无序结构在作妖。解决方案简单粗暴——多跑几组取平均,或者换大体系降低涨落。模型文件已扔在Github仓库,需要自取的小伙伴记得star一下防走失。

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