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ReaxFF MD

分子动力学是一门结合物理,数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法,该方法主要分三类:第一性原理分子动力学、 经典分子动力学、 紧束缚分子动力学。


传统的经典分子动力学的普通力场 只能解决不存在断键成键的过程,而ReaxFF的目标拟合出量化计算结果来使体系能够模拟反应的动力学过程,是很有发展前景的一种力场。


ReaxFF MD由Goddard课题组和Van Duin课题组提出的反应力场,ReaxFF是一种基于键级的反应力场,原子之间的成键相互作用及氢键作用均为键级的函数,该反应应力场可连续描述键的生成和断裂且无需预设反应路径,因而可计算包含化学反应的分子体系。ReaxFF MD还通过在每个时间步对原子的部分电荷进行动态优化,较好的考虑了极化作用,提高了计算的准确性。与量子化学方法相比,ReaxFF MD在提升计算性能的同时,将可模拟的体系规模提高了一个量级或更多(>1000g个原子)。特别是ReaxFF MD 无须预设其复杂的反应路径这一特性,为其应用于认为无法设定其复杂反应路径的机理的研究提供了可能。


分子动力学方法:





建立Reax FF 力场:




Reax FF的现状:



程序流程图:



计算成本:



ReaxFF通过力场的方式,模拟介观尺度下的化学反应,以及有关的热力学、动力学性质,被用于各种不同反应体系模拟,包括:溶液环境、界面、金属及金属氧化物表面分子反应,并支持Berendsen温度velocity Verlet的NVT、NPT和NVE系综的动力学计算功能;在有机体系(如有机分子的燃烧、高温热解等)、金属催化、合金材料氧化、炸药爆炸等各种工程问题的模拟方面取得了很大的成功;并且目前已经可以进行并行计算,原子数大于1000000。


尽管已有的工作显示了ReaxFF MD 应用于煤热解反应机理的研究的潜力,但仍然存在三个方面的挑战:煤分子模型的构建、模拟的计算效率、模拟结果中化学反应信息的分析。因此中科研过程所课题组提出基于GPU的高性能计算与基于化学信息分析相结合的新思路,MPCS为此研制了国际上首个基于GPU的RreaxFF MD软件工具GMD-Reax和首个用于ReaxFF MD模拟结果分析及可视化的软件工具VAxMD。


GMD-Reax功能优点: 


GMD-Reax充分利用GPU强大的流处理器和CUDA支持大量线程级并行的特点,针对ReaxFF算法中各项势能作用分别采用不同的数据存储和线程组织策略,并对模拟任务在线程间的划分与数据存储模型进行了精细控制和优化,显著提升了ReaxFF MD的整体计算性能。




VARxMD功能优点:


VARxMD读入ReaxFF MD模拟轨迹文件,经过原子间连接性判断、连通分子片段判别、周期性边界条件坐标变换、键类型识别、物种全局索引表的创建和检索、化学反应识别等一系列步骤,最终获得完全的化学反应网络。











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