تحليل يذوب والسوائل من المحاكاة Ab Initio الديناميات الجزيئية مع حزمة UMD

ملخص

الذوبان والسوائل هي ناقلات في كل مكان من النقل الجماعي في النظم الطبيعية. لقد قمنا بتطوير حزمة مفتوحة المصدر لتحليل محاكاة ab initio للديناميكيات الجزيئية لمثل هذه الأنظمة. نحن حساب الهيكلية (الترابط والتكتلات، والتكهنات الكيميائية)، والنقل (نشر، اللزوجة) والخصائص الحرارية (الطيف الاهتزازي).

الملخص

لقد قمنا بتطوير حزمة مفتوحة المصدر تستند إلى Python لتحليل النتائج النابعة من محاكاة ab initio للديناميكيات الجزيئية للسوائل. الحزمة هي الأنسب للتطبيقات على النظم الطبيعية، مثل سيليكات وأكسيد يذوب، والسوائل القائمة على الماء، ومختلف السوائل فوق الحرجة. الحزمة هي مجموعة من البرامج النصية بيثون التي تشمل مكتبتين رئيسيتين تتعامل مع تنسيقات الملفات ومع علم البلورات. يتم تشغيل كافة البرامج النصية في سطر الأوامر. نقترح تنسيقا مبسطا لتخزين المسارات الذرية والمعلومات الديناميكية الحرارية ذات الصلة للمحاكاة ، والتي يتم حفظها في ملفات UMD ، لتقف على الديناميكيات الجزيئية العالمية. تسمح حزمة UMD بحساب سلسلة من الخصائص الهيكلية والنقل والديناميكية الحرارية. بدءا من وظيفة توزيع الزوج يحدد أطوال السندات، ويبني مصفوفة اتصال بين الذرية، ويحدد في نهاية المطاف الطيف الكيميائي. تحديد عمر الأنواع الكيميائية يسمح بإجراء تحليل إحصائي كامل. ثم تحسب النصوص المخصصة الإزاحات المتوسطة المربعة للذرات وكذلك للأنواع الكيميائية. 11 - ويسفر تحليل الارتباط الذاتي المنفذ للسرعات الذرية عن معاملات الانتشار والطيف الاهتزازي. نفس التحليل المطبق على الضغوط يعطي اللزوجة. تتوفر الحزمة عبر موقع GitHub وعبر صفحتها المخصصة لمشروع ERC IMPACT كحزمة وصول مفتوحة.

المقدمة

السوائل والذوبانات هي ناقلات نقل كيميائية وجسدية نشطة في البيئات الطبيعية. إن ارتفاع معدلات الانتشار الذري لصالح التبادلات والتفاعلات الكيميائية، واللزوجة المنخفضة إلى جانب الطفو المتفاوت لصالح النقل الجماعي الكبير، وعلاقات الكثافة الذائبة بالكريستال تفضل الطبقات داخل الأجسام الكوكبية. إن عدم وجود شعرية دورية ، ودرجات حرارة عالية نموذجية مطلوبة للوصول إلى الحالة المنصهرة ، وصعوبة إخمادها تجعل التحديد التجريبي لسلسلة من الخصائص الواضحة ، مثل الكثافة والنشر واللزوجة ، تحديا للغاية. هذه الصعوبات تجعل الطرق الحسابية البديلة أدوات قوية ومفيدة للتحقيق في هذه الفئة من المواد.

مع ظهور قوة الحوسبة وتوافر أجهزة الكمبيوتر العملاقة ، وتستخدم حاليا اثنين من تقنيات المحاكاة الذرية العددية الرئيسية لدراسة الحالة الديناميكية لنظام ذري غير بلوري ، مونتي ^كارلو1 والديناميات الجزيئية (MD)^1،2. في محاكاة مونتي كارلو يتم أخذ عينات عشوائية من الفضاء التكويني؛ تظهر أساليب مونتي كارلو التحجيم الخطي في موازاة إذا كانت جميع عمليات رصد أخذ العينات مستقلة عن بعضها البعض. تعتمد جودة النتائج على جودة مولد الأرقام العشوائي وتمثيل العينة. تظهر أساليب مونتي كارلو التحجيم الخطي في موازاة إذا كانت العينة مستقلة عن بعضها البعض. في الديناميات الجزيئية (MD) يتم أخذ عينات من الفضاء التكويني من قبل مسارات ذرية تعتمد على الوقت. بدءا من تكوين معين، يتم حساب المسارات الذرية من خلال دمج المعادلات النيوتونية للحركة. يمكن حساب القوى بين الذرية باستخدام إمكانات نموذجية بين الذرية (في MD الكلاسيكية) أو باستخدام أساليب المبادئ الأولى (في ab initio ، أو المبادئ الأولى ، MD). تعتمد جودة النتائج على طول المسار وقدرته على عدم الانجذاب إلى المصغرة المحلية.

تحتوي محاكاة الديناميكيات الجزيئية على عدد كبير من المعلومات ، وكلها تتعلق بالسلوك الديناميكي للنظام. متوسط الخصائص الحرارية، مثل الطاقة الداخلية، ودرجة الحرارة، والضغط، هي معيار إلى حد ما لحساب. ويمكن استخراجها من ملف (ملفات) إخراج المحاكاة ومتوسطها، في حين أن الكميات المتعلقة مباشرة بحركة الذرات وكذلك علاقتها المتبادلة تحتاج إلى حساب بعد استخراج المواقع والسرعات الذرية.

وبالتالي، تم تكريس الكثير من الجهد لتصور النتائج، وحزم مختلفة متاحة اليوم، على منصات مختلفة، مفتوحة المصدر أم لا [^Ovito3، ^VMD4، ^Vesta5، ^Travis6، الخ]. كل هذه الأدوات التصور التعامل بكفاءة مع المسافات بين الذرية، وعلى هذا النحو، فإنها تسمح الحساب الفعال لوظائف التوزيع الزوج ومعاملات الانتشار. مجموعات مختلفة أداء محاكاة الديناميات الجزيئية على نطاق واسع لديها برامج الملكية لتحليل مختلف الخصائص الأخرى الناجمة عن المحاكاة، وأحيانا في الأواني المشتركة أو أشكال أخرى من الوصول المحدود إلى المجتمع، ومحدودة في بعض الأحيان في نطاق واستخدام لبعض حزم محددة. يتم تطوير وتنفيذ خوارزميات متطورة لاستخراج معلومات حول الترابط بين الذرية، والأنماط الهندسية، والديناميكا الحرارية في بعض هذه ^{الحزم3،4،5،6،7}، الخ.

هنا نقترح حزمة UMD - حزمة مفتوحة المصدر مكتوبة في Python لتحليل إخراج محاكاة الديناميكيات الجزيئية. تسمح حزمة UMD بحساب مجموعة واسعة من الخصائص الهيكلية والديناميكية والدينامية الحرارية (الشكل 1). تتوفر الحزمة عبر موقع GitHub (https://github.com/rcaracas/UMD_package) وعبر صفحة مخصصة (http://moonimpact.eu/umd-package/) لمشروع ERC IMPACT كحزمة مفتوحة الوصول.

لجعله عالميا وأسهل للتعامل معها، نهجنا هو استخراج أولا جميع المعلومات المتعلقة الحالة الدينامية الحرارية والمسارات الذرية من ملف الإخراج من الديناميات الجزيئية الفعلية تشغيل. يتم تخزين هذه المعلومات في ملف مخصص، والذي يكون تنسيقه مستقلا عن حزمة MD الأصلية حيث تم تشغيل المحاكاة. نحن نسمي هذه الملفات "umd" الملفات ، والتي تقف على الديناميات الجزيئية العالمية. وبهذه الطريقة، يمكن استخدام حزمة UMD لدينا بسهولة من قبل أي مجموعة ab initio مع أي برنامج، كل ذلك بأقل جهد للتكيف. الشرط الوحيد لاستخدام الحزمة الحالية هو كتابة المحلل اللغوي المناسب من إخراج برنامج MD معين في تنسيق ملف umd ، إذا لم يكن موجودا بعد. في الوقت الحاضر، ونحن نقدم مثل هذه محللين لحزم VASP8 وQBox9.

الشكل 1: مخطط انسيابي لمكتبة UMD.
الخصائص الفيزيائية باللون الأزرق ، ونصوص Python الرئيسية وخياراتها باللون الأحمر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملفات umd هي ASCII ملفات; التمديد النموذجي هو "umd.dat" ولكن ليس إلزاميا. يمكن قراءة كافة مكونات التحليل ASCII ملفات تنسيق umd بغض النظر عن ملحق الاسم الفعلي. ومع ذلك ، فإن بعض البرامج النصية التلقائية المصممة لأداء إحصاءات سريعة على نطاق واسع عبر العديد من المحاكاة تبحث خصيصا عن الملفات مع تمديد .dat umd. يتم التعبير عن كل خاصية فعلية على سطر واحد. يبدأ كل سطر بكلمة رئيسية. وبهذه الطريقة تنسيق قابل للتكيف للغاية ويسمح لخصائص جديدة تضاف إلى ملف umd، كل ذلك مع الحفاظ على قابليتها للقراءة في جميع أنحاء الإصدارات. وترد في الشكل 2 الخطوط ال 30 الأولى من ملف umd لمحاكاة البيرولايت في 4.6 GPa و K 3000 ، وتستخدم أدناه في المناقشة.

الشكل 2: بداية ملف umd تصف محاكاة البيروليت السائل في 4.6 GPa و 3000 K.
يتبع الرأس وصف كل لقطة. تتم كتابة كل خاصية على سطر واحد، تحتوي على اسم الخاصية الفعلية والقيمة (القيم) والوحدات، ويتم فصلها جميعا بمسافات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تحتوي جميع ملفات umd على رأس يصف محتوى خلية المحاكاة: عدد الذرات والإلكترونات والأنواع الذرية ، بالإضافة إلى تفاصيل لكل ذرة ، مثل نوعها ورمزها الكيميائي وعدد إلكترونات التكافؤ وكتلتها. خط فارغ يمثل نهاية الرأس ويفصله عن الجزء الرئيسي من ملف umd.

ثم يتم تفصيل كل خطوة من المحاكاة. أولا، يتم إعطاء المعلمات الحرارية الفورية، كل منها على خط مختلف، مع تحديد (1) اسم المعلمة، مثل الطاقة، والضغوط، والضغط الهيدروستاتيكي المكافئ، والكثافة، والحجم، ومعلمات شعرية، وما إلى ذلك، (2) قيمتها (ق)، و (3) وحداتها. جدول يصف الذرات يأتي بعد ذلك. خط رأس يعطي تدابير مختلفة، مثل المواقف الديكارتية، والسرعات، والتهم، وما إلى ذلك، ووحداتها. ثم يتم تفصيل كل ذرة على سطر واحد. بواسطة مجموعات من ثلاثة، المقابلة لثلاثة x، ص، ض محاور، وإدخالات هي: المواقف المخفضة، والمواقف الديكارتية مطوية في خلية المحاكاة، والمواقف الديكارتية (التي تأخذ في الاعتبار بشكل صحيح حقيقة أن الذرات يمكن أن تعبر عدة خلايا وحدة خلال المحاكاة)، والسرعات الذرية، والقوى الذرية. آخر إدخالين هما التحجيم: الشحن واللحظة المغناطيسية.

مكتبتان رئيسيتان تضمنان حسن سير العمل في المجموعة بأكملها. تتعامل مكتبة umd_process.py مع ملفات umd ، مثل القراءة والطباعة. وتتعامل مكتبة crystallography.py مع جميع المعلومات المتعلقة بالهيكل الذري الفعلي. الفلسفة الأساسية للمكتبة crystallography.py هي التعامل مع الشبكة كمساحة متجهة. تمثل معلمات الخلية الوحدة مع اتجاهها المتجهات الأساسية. يحتوي "الفضاء" على سلسلة من السمات التوسعية (حجم محدد وكثافة ودرجة حرارة وعدد محدد من الذرات) وخصائص ديناميكية حرارية (الطاقة الداخلية والضغط وسعة الحرارة وما إلى ذلك) وسلسلة من الخصائص الشدية (الإجهاد والمرونة). الذرات تملأ هذا الفضاء. تعرف فئة "شعرية" هذه المجموعة ، إلى جانب حسابات قصيرة قليلة مختلفة ، مثل حجم محدد وكثافة والحصول على شعرية متبادلة من الشبكة المباشرة ، إلخ. تعرف فئة "الذرات" الذرات. وهي تتميز بسلسلة من الخصائص التحجيمية (الاسم والرمز والكتلة وعدد الإلكترونات وما إلى ذلك) وسلسلة من الخصائص المتجهية (الموقع في الفضاء ، إما بالنسبة إلى الأساس المتجهي الموصوف في فئة شعرية ، أو بالنسبة للإحداثيات الديكارتية العالمية ، والسرعات ، والقوى ، وما إلى ذلك). وبصرف النظر عن هاتين الفئتين، تحتوي مكتبة crystallography.py على سلسلة من الوظائف لإجراء مجموعة متنوعة من الاختبارات والحسابات، مثل المسافات الذرية، أو ضرب الخلايا. كما يتم تضمين الجدول الدوري للعناصر كقاموس.

المكونات المختلفة لحزمة umd كتابة عدة ملفات الإخراج. كقاعدة عامة، يتم كافة ملفات ASCII، يتم فصل كافة الإدخالات الخاصة بهم بواسطة علامات التبويب، ويتم إجراؤها كما تفسيرية قدر الإمكان. على سبيل المثال، أنها تشير دائما بوضوح إلى الممتلكات المادية ووحداتها. تتوافق ملفات .dat umd تماما مع هذه القاعدة.

البروتوكول

1. تحليل الديناميات الجزيئية يعمل

ملاحظة: الحزمة متوفرة عبر موقع GitHub (https://github.com/rcaracas/UMD_package) وعبر صفحة مخصصة (http://moonimpact.eu/umd-package/) لمشروع ERC IMPACT كحزمة وصول مفتوحة.

1. استخراج كل مجموعة محددة من الخصائص الفيزيائية باستخدام واحد أو أكثر من البرامج النصية بيثون مخصصة من الحزمة. تشغيل كافة البرامج النصية في سطر الأوامر; انهم جميعا استخدام سلسلة من الأعلام ، والتي هي متسقة قدر الإمكان من سيناريو واحد إلى آخر. يتم تلخيص الإشارات ومعناها وقيمها الافتراضية في الجدول 1.

علم	معنى	البرنامج النصي استخدامه	القيمة الافتراضية
-h	مساعدة قصيرة	كل
-f	اسم ملف UMD	كل
-i	خطوات التحري الحراري التي يجب التخلص منها	كل	0
-i	ملف الإدخال الذي يحتوي على الروابط بين الذرية	المواصفات	سندات.مدخلات
-s	أخذ عينات من التردد	msd, منظار	1 (كل خطوة تعتبر)
-أ	قائمة الذرات أو الأيونات	المواصفات
-ج	قائمة من القطط	المواصفات
-l	طول السند	المواصفات	2
-t	درجة الحرارة	الاهتزازات، الريولوجيا
-v	إعادة تحديد عرض إطار أخذ العينات لمسار تحليل الإزاحة المتوسط المربع	msd	20
-z	إعادة تحديد بداية إطار أخذ العينات لمسار تحليل الإزاحة المتوسط المربع	msd	20

الجدول 1: أكثر الأعلام شيوعا المستخدمة في حزمة UMD وأهميتها الأكثر شيوعا.

2. ابدأ بتحويل إخراج محاكاة MD التي يتم إجراؤها في رمز المبادئ الأولى ، مثل ^VASP8 أو ^QBox9 ، إلى ملف UMD.
   1. إذا تم إجراء محاكاة MD في VASP، ثم في نوع سطر الأوامر:
      VaspParser.py -f -i <الخطوة>
      حيث -f العلم يعرف اسم الملف VASP OUTCAR، و-i طول التسخين.
      ملاحظة: الخطوة الأولية، التي تم تعريفها بواسطة -i تسمح بالتخلص من الخطوات الأولى من المحاكاة، والتي تمثل التحري الحراري. في تشغيل الديناميات الجزيئية النموذجية ، يمثل الجزء الأول من الحساب التحرارية ، أي الوقت الذي يستغرقه النظام لجميع الذرات لوصف توزيع يشبه الغاوسية لدرجة الحرارة ، وللنظام بأكمله لإظهار تقلبات في درجة الحرارة والضغط والطاقة ، وما إلى ذلك حول قيم التوازن. لا ينبغي أن يؤخذ هذا الجزء الحراري من المحاكاة في الاعتبار عند تحليل الخصائص الإحصائية للسائل.
3. تحويل . umd الملفات إلى . xyz الملفات لتسهيل التصور على مختلف الحزم الأخرى ، مثل ^VMD4 أو ^Vesta5. في نوع سطر الأوامر:
   umd2xyz.py-f < ملف>-i <الخطوة>-s
   حيث -f يعرف اسم . umd الملف، -i يحدد فترة التحرارية التي سيتم تجاهلها، و-s وتيرة أخذ العينات من مسار المخزنة في . umd ملف. القيم الافتراضية هي -i 0 -s 1، أي النظر في جميع خطوات المحاكاة، دون أن يتم تجاهل أي منها.
4. عكس ملف umd إلى ملفات POSCAR من نوع VASP باستخدام البرنامج النصي umd2poscar.py; يمكن اختيار لقطات من المحاكاة مع تردد محدد مسبقا. في نوع سطر الأوامر:
   umd2poscar.py -f < ملف> -i <الخطوة> -l <الخطوة الماضية>-s
   حيث -l يمثل الخطوة الأخيرة ليتم تحويلها إلى ملف POSCAR. القيم الافتراضية هي -i 0 -l 10000000 -s 1. هذه القيمة ل- كبيرة بما يكفي لتغطية مسار نموذجي كامل.

2. إجراء التحليل الهيكلي

1. تشغيل البرنامج النصي gofrs_umd.py لحساب وظيفة توزيع الزوج (PDF) ز _ᴀʙ(ص) لجميع أزواج من أنواع الذرية A و B (الشكل 3). يتم كتابة الإخراج في ملف ASCII واحد، تبويب مفصولة، مع gofrs التمديد.dat. في نوع سطر الأوامر:
   gofrs_umd.py-f -s < Sampling_Frequency >-d <التعيينInterval>-i <الخطوة الشرعية>
   ملاحظة: الافتراضات هي Sampling_Frequency (تردد لأخذ عينات من المسار) = 1 خطوة; DiscretizationInterval (رسم g(r)) = 0.01 Å; InitialStep (عدد الخطوات في بداية المسار التي يتم تجاهلها) = 0. PDF شعاعي، ز _ᴀʙ(ص) هو متوسط عدد الذرات من النوع B على مسافة d_ᴀʙ داخل قذيفة كروية من نصف قطرها ص وسمك الدكتور تركزت على ذرات من النوع A (الشكل 3):
   
   
   مع ρ الكثافة الذرية، _NA و _NB عدد الذرات من النوع A و B، و δ (r−r _ᴀʙ) الدالة دلتا الذي يساوي 1 إذا كانت الذرات A و B تقع على مسافة بين r و r +dr. وabscissa من الحد الأقصى الأول من ز _ᴀʙ (ص) يعطي أعلى احتمال طول السندات بين ذرات من النوع A و B، وهو الأقرب إلى متوسط مسافة السندات التي يمكننا تحديدها. يحدد الحد الأدنى الأول مدى مجال التنسيق الأول. وبالتالي فإن التكامل على قوات الدفاع الشعبي حتى الحد الأدنى الأول يعطي متوسط عدد التنسيق. مجموع التحويلات فورييه من ز _ᴀʙ (ص) لجميع أزواج من أنواع الذرية A و B تسفر عن نمط الحيود من السائل، كما تم الحصول عليها تجريبيا مع مقياس الحيود. ومع ذلك، في الواقع، في كثير من الأحيان مجالات التنسيق عالية الترتيب مفقودة من ز _ᴀʙ (ص)، لا يمكن الحصول على نمط الحيود في مجملها.

الشكل 3: تحديد وظيفة توزيع الزوج.
(أ) بالنسبة لكل ذرة من نوع واحد (الأحمر مثلا)، تحسب جميع ذرات الأنواع المنسقة (مثل الرمادي و/أو الأحمر) كدالة للمسافة. (ب) ثم يتم حساب متوسط الرسم البياني لتوزيع المسافة الناتج عن كل لقطة، والذي لا يمثل في هذه المرحلة سوى مجموعة من وظائف الدلتا، على جميع الذرات وجميع اللقطات ويوزن بتوزيع الغاز المثالي لتوليد (ج) وظيفة التوزيع الثنائي المستمرة. الحد الأدنى الأول من g(r) هو نصف قطر مجال التنسيق الأول، الذي يستخدم لاحقا في تحليل الأطياف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. استخراج متوسط مسافات السندات بين الذرية كما radii من مجالات التنسيق الأولى. لهذا، تحديد موقف الحد الأقصى الأول من وظائف g _ᴀʙ(r): رسم gofrs.dat ملف في تطبيق جدول البيانات والبحث عن الحد الأقصى وminima لكل زوج من الذرات.
3. تحديد نصف قطر مجال التنسيق الأول، باعتباره الحد الأدنى الأول من PDF، g _ᴀʙ(r)، باستخدام برنامج جداول البيانات. هذا هو الأساس للتحليل الهيكلي الكامل للسائل؛ PDF ينتج عن متوسط حالة الترابط للذرات في السائل.
4. استخراج مسافات minima الأولى ، أي ، وabscissa ، والكتابة في ملف منفصل ، ودعا ، على سبيل المثال ، bonds.input. بدلا من ذلك، قم بتشغيل أحد البرامج النصية analyze_gofr حزمة UMD لتحديد maxima و minima الدالات g _ᴀʙ(r). في نوع سطر الأوامر:
   analyze_gofr_semi_automatic.py
5. انقر على موضع الحد الأقصى والحد الأدنى من وظيفة g _ᴀʙ(r) المعروضة في الرسم البياني الذي يتم فتحه من قبل البرنامج. يقوم البرنامج النصي بمسح المجلد الحالي تلقائيا، ويحدد جميع ملفات gofrs.dat، ويقوم بإجراء التحليل لكل ملف منها. انقر مرة أخرى على الحد الأقصى والحد الأدنى في النافذة في كل مرة يحتاج فيها البرنامج النصي إلى تخمين أولي متعلم.
6. فتح وانظر إلى الملف الذي تم إنشاؤه تلقائيا يسمى bonds.input الذي يحتوي على مسافات السندات بين الذرية.

3. إجراء تحليل المواصفات

1. حساب طوبولوجيا الترابط بين الذرات، وذلك باستخدام مفهوم الاتصال ضمن نظرية الرسم البياني: الذرات هي العقد والروابط بين الذريات هي المسارات. يحتاج النص speciation_umd.py إلى مسافات السندات بين الذرية المحددة في ملف bonds.input .
   ملاحظة: يتم إنشاء مصفوفة الاتصال في كل خطوة زمنية: تعتبر ذرتان تقعان على مسافة أصغر من نصف قطر مجال التنسيق الأول المقابل لها مرتبطين، أي متصلين. يتم بناء شبكات ذرية مختلفة من خلال التعامل مع الذرات على أنها عقد في رسم بياني يتم تعريف اتصالاتها من خلال هذا المعيار الهندسي. هذه الشبكات هي الأنواع الذرية، وتعرف مجموعتها الطيف الذري في ذلك السائل بالذات (الشكل 4).

الشكل 4: تحديد المجموعات الذرية.
يتم تعريف تنسيق متعدد الهيدرا باستخدام المسافات بين الذرية. وتعتبر جميع الذرات على مسافة أصغر من دائرة نصف قطرها المحددة لتكون المستعبدين. هنا تتوافق العتبة مع مجال التنسيق الأول (الدوائر الحمراء الفاتحة)، المحددة في الشكل 1. يتم الحصول على البلمرة وبالتالي الأنواع الكيميائية من شبكات الذرات المستعبدين. لاحظ الكتلة _Red1Grey2 المركزية ، المعزولة عن الذرات الأخرى ، والتي تشكل بوليمرا لا نهائي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تشغيل البرنامج النصي speciation للحصول على مصفوفة الاتصال والحصول على تنسيق polyhedra أو البلمرة. في نوع سطر الأوامر:
   speciation_umd.py -f -s -i -l -c -a -m -r
   حيث يعطي العلم -i الملف مع مسافات الرابطة بين الذرية، والتي تم إنتاجها على سبيل المثال في الخطوة السابقة. بدلا من ذلك، قم بتشغيل البرنامج النصي بطول واحد لكافة السندات المعرفة بواسطة علامة -l.
   ملاحظة: تحدد العلامة -c الذرات المركزية و-a علم ليغاندس. يمكن أن تكون كل من الذرات المركزية و ligands من أنواع مختلفة. في هذه الحالة، يجب فصلها بفواصل. العلم -m يعطي الحد الأدنى من الوقت يجب أن يعيش الأنواع للنظر في التحليل. بشكل افتراضي هذا الوقت الأدنى هو صفر، يتم احتساب كافة التكرارات في التحليل النهائي.
   1. تشغيل البرنامج النصي speciation_umd.py مع العلم -r 0، الذي عينات الرسم البياني الاتصال في المستوى الأول لتحديد تنسيق polyhedra. على سبيل المثال، قد تكون ذرة مركزية، يشار إليها على أنها cation محاطة ب anions واحد أو أكثر (الشكل 4). يحدد البرنامج النصي speciation كل واحد من تنسيق polyhedra. المتوسط المرجح لجميع تنسيق polyhedra يعطي رقم التنسيق ، مطابقة لتلك التي تم الحصول عليها من دمج قوات الدفاع الشعبي. في نوع سطر الأوامر:
      speciation_umd.py -f -i -c -a <ايونات> -r 0
      ملاحظة: متوسط أرقام التنسيق في السوائل هي أرقام كسور. ويأتي هذا الكسر من متوسط خصائص التنسيق. وينتج عن التعريف القائم على التكهنات تمثيل أكثر سهولة وغنيا بالمعلومات لهيكل السائل، حيث يتم تحديد النسب النسبية للأنواع المختلفة، أي التنسيقات، كميا.
   2. تشغيل البرنامج النصي speciation_umd.py مع العلم -r 1، الذي عينات الرسم البياني الاتصال في جميع مستويات العمق للحصول على البلمرة. الشبكة من خلال الرسم البياني الذري لديها عمق معين، كما يتم المستعبدين الذرات بعيدا إلى السندات الأخرى (على سبيل المثال، في تسلسل من cations بالتناوب والأيونات) (الشكل 4).
3. افتح الملفين . .dat و. stat.dat على التوالي؛ هذه تشكل إخراج السيناريو المواصفات. كل مجموعة مكتوبة على سطر واحد، تحدد تركيبتها الكيميائية، الوقت الذي تشكلت فيه، الوقت الذي ماتت فيه، عمرها، مصفوفة مع قائمة الذرات التي تشكل هذه الكتلة. رسم عمر كل مجموعة ذرية من جميع الأنواع الكيميائية الموجودة في المحاكاة كما وجدت في ملف .popul.dat (الشكل 5).
4. رسم تحليل السكان مع وفرة كل نوع ، كما هو موجود في . .dat الملف. ويتوافق هذا التحليل، المطلق والنسبي، مع الإحصاءات الفعلية لتعدد الهيدرا التنسيقي للحالة -r 0؛ لحالة البلمرة، مع -r 1 هذا يحتاج إلى أن يعامل بعناية كما بعض التطبيع على العدد النسبي للذرات قد تحتاج إلى تطبيقها. الوفرة تتوافق مع التكامل على مدى العمر. ال. .dat الملف أيضا يسرد حجم كل كتلة، أي عدد الذرات التي تشكلها.

4. معاملات نشر الحوسبة

1. استخراج متوسط الإزاحة المربعة (MSD) للذرات كدالة للوقت للحصول على الانتشار الذاتي. الصيغة القياسية ل MSD هي:
   
   حيث تكون العوامل المسبقة إعادة تطبيع. مع أداة MSD ، هناك طرق مختلفة لتحليل الجوانب الديناميكية للسوائل.
   ملاحظة: T هو الوقت الإجمالي للمحاكاة و N _α هو عدد الذرات من النوع α. الوقت الأولي _t0 هو التعسفي ويمتد النصف الأول من المحاكاة. _Ninit هو عدد المرات الأولى. τ هو عرض الفاصل الزمني الذي يتم حساب MSD; القيمة القصوى هي نصف طول الوقت للمحاكاة. في تطبيقات MSD النموذجية، يبدأ كل إطار في نهاية الإطار السابق. ولكن أخذ عينات sparser يمكن تسريع حساب MSD، دون تغيير منحدر MSD. لهذا، يبدأ الإطار i-th في الوقت _t0(i)، ولكن يبدأ الإطار (i+1) -th في الوقت _t0(i) + τ + v، حيث يتم تعريف قيمة v من قبل المستخدم. وبالمثل، يتم زيادة عرض النافذة في خطوات منفصلة يحددها المستخدم، على هذا النحو: τ(i) = τ(i-1) + z. قيم z ("الخطوة الأفقية") و v ("الخطوة العمودية") موجبة أو صفرية؛ الافتراضي لكليهما هو 20.
2. حساب MSD باستخدام سلسلة من البرامج النصية msd_umd . تتم طباعة إخراجها في . msd.dat الملف، حيث تتم طباعة MSD من كل نوع ذري أو ذرة أو كتلة على عمود واحد كدالة للوقت.
   1. حساب متوسط MSD من كل نوع الذرية. يتم حساب MSD لكل ذرة ثم متوسط لكل نوع ذري. يحتوي ملف الإخراج على عمود واحد لكل نوع ذري. في نوع سطر الأوامر:
      msd_umd.py -f -z <الحراجة> -v <الجوارverticaljump> -b
   2. حساب MSD من كل ذرة. يتم حساب MSD لكل ذرة ثم متوسط لكل نوع ذري. يحتوي ملف الإخراج على عمود واحد لكل ذرة في المحاكاة، ثم عمود واحد لكل نوع ذري. تسمح هذه الميزة بتحديد الذرات التي تنتشر في بيئتين مختلفتين، مثل السائل والغاز، أو سائلين. في نوع سطر الأوامر:
      msd_all_umd.py -f -z <الحراجة> -v <الجوار الدوار> -b
   3. حساب MSD من الأنواع الكيميائية. استخدم مجموعة المجموعات التي تم تعريفها مع البرنامج النصي speciation وطباعتها في . .dat ملف. يتم حساب MSD لكل كتلة فردية. يحتوي ملف الإخراج على عمود واحد لكل كتلة. لتجنب النظر في البوليمرات واسعة النطاق، ضع حدا لحجم الكتلة؛ الافتراضي هو 20 ذرة. في نوع سطر الأوامر:
      msd_cluster_umd.py -f -p -s -b -c
      ملاحظة: القيم الافتراضية هي: -b 100 -s 1 -c 20.
3. رسم MSD باستخدام برنامج يستند إلى جدول البيانات (الشكل 6). في تمثيل سجل MSD مقابل الوقت، حدد تغيير الميل. فصل الجزء الأول، الذي عادة ما يكون قصيرا، والذي يمثل النظام الباليستي ، أي الحفاظ على سرعة الذرات بعد الاصطدامات. الجزء الثاني أطول يمثل نظام الانتشار ، أي تشتت سرعة الذرات بعد الاصطدامات.
4. حساب معاملات الانتشار من منحدر MSD على النحو التالي:
   
   حيث Z هو عدد درجات الحرية (Z = 2 للنشر في المستوى، Z = 3 للنشر في الفضاء)، و t هو الخطوة الزمنية.

5. وظائف الارتباط الزمني

1. حساب وظائف الارتباط الزمني كمقياس لقصور النظام باستخدام الصيغة العامة:
   
   يمكن أن تكون A مجموعة متنوعة من المتغيرات المعتمدة على الوقت، مثل المواقع الذرية، والسرعات الذرية، والضغوط، والاستقطاب، وما إلى ذلك، كل منها ينتج - عبر العلاقات بين الأخضر والكوبو12,13 - خصائص فيزيائية مختلفة، وأحيانا بعد تحول آخر.
2. تحليل السرعات الذرية للحصول على الطيف الاهتزازي للتعبير السائل والبديل لمعاملات الانتشار الذاتي الذري.
   1. تشغيل السيناريو vibr_spectrum_umd.py لحساب سرعة الذرية السرعة التلقائي الارتباط (VAC) وظيفة لكل نوع الذرية وأداء تحويل سريع فورييه. في نوع سطر الأوامر:
      vibr_spectrum_umd.py -f -t <تم >
      حيث -t هي درجة الحرارة التي يجب تعريفها من قبل المستخدم. البرنامج النصي طباعة ملفين: . vels.scf.dat ملف مع الدالة VAC لكل نوع الذرية و . vibr.dat ملف مع الطيف الاهتزازي متحللة على كل الأنواع الذرية والقيمة الإجمالية.
   2. افتح vels.scf.dat واقرأه. رسم وظيفة VAC من ملف vels.scf.dat باستخدام برنامج يشبه جدول البيانات.
   3. حافظ على الجزء الحقيقي من فورييه فاك. هذا هو ما ينتج الطيف الاهتزازي، كدالة للتردد:
      
      حيث m هي الكتل الذرية.
   4. رسم الطيف الاهتزازي من ملف vibr.dat باستخدام برنامج يشبه جدول البيانات (الشكل 7). تحديد القيمة المحدودة في ω = 0 التي تتوافق مع الطابع الانتشاري للسائل وقمم الطيف المختلفة عند تردد محدود. تحديد مشاركة كل نوع ذري في الطيف الاهتزازي.
      ملاحظة: يظهر التحلل على الأنواع الذرية أن الذرات المختلفة لها مساهمات مختلفة = 0 ، تتوافق مع معاملات انتشارها. الشكل العام للطيف هو أكثر سلاسة بكثير مع ميزات أقل من الصلبة المقابلة.
   5. في القشرة، اقرأ التكامل على الطيف الاهتزازي، الذي ينتج معاملات الانتشار لكل نوع ذري.
      ملاحظة: يمكن الحصول على خصائص الديناميكا الحرارية عن طريق التكامل من الطيف الاهتزازي، ولكن ينبغي استخدام النتائج بحذر بسبب تقريبين: التكامل صالح داخل التقريب شبه التوافقي، الذي لا يصمد بالضرورة في درجات حرارة عالية؛ والجزء الشبيه بالغاز من الطيف المقابل للانتشار يحتاج إلى التخلص منه. وينبغي بعد ذلك أن يتم التكامل فقط على الجزء الشبيه بالشبكية من الطيف. ولكن هذا الفصل يتطلب عادة عدة خطوات أخرى بعد المعالجة ^{والحسابات14} ، والتي لا تغطيها حزمة UMD الحالية.
3. تشغيل البرنامج النصي viscosity_umd.py لتحليل الارتباط الذاتي للمكونات الإجهاد الشد لتقدير لزوجة ذوبان. في نوع سطر الأوامر:
   viscosity_umd.py -f -i -s -o -l
   ملاحظة: هذه الميزة استكشافية ويجب أن يتم أخذ أية نتائج بحذر. أولا، تحقق بدقة من تقارب اللزوجة فيما يتعلق بطول المحاكاة.
   1. اشتقاق لزوجة السائل من الارتباط الذاتي للإجهاد ^tensor15 على النحو التالي:
      
      حيث V و T هي حجم ودرجة الحرارة على التوالي، _κB هو ثابت بولتزمان σ _ij مكون ij خارج قطري من الإجهاد الشد، وأعرب في الإحداثيات الديكارتية.
   2. استخدام تناسب أكثر ملاءمة للحصول على تقدير أكثر قوة من اللزوجة15^،16 وتجنب ضجيج الإجهاد الشد التلقائي الارتباط وظيفة التي قد تنشأ من حجم محدود ومدة محدودة من المحاكاة. لوظيفة الارتباط التلقائي لشد الإجهاد، استخدم النموذج الوظيفي ^{التالي15,16} الذي ينتج عنه نتائج جيدة:
      
      حيث A، B، _τ1، τ2، و ω هي المعلمات تناسب. بعد التكامل، يصبح التعبير عن اللزوجة:
      

6. المعلمات الدينامية الحرارية الناجمة عن المحاكاة.

1. قم بتشغيل averages.py لاستخراج متوسط القيم والانتشار (وازحراف معياري) للضغط ودرجة الحرارة والكثافة والطاقة الداخلية من ملفات umd . في نوع سطر الأوامر:
   averages.py-f -s
   مع -s 0 كإعداد افتراضي.
2. حساب الخطأ الإحصائي للمتوسط، باستخدام أساليب الحظر.
   ملاحظة: هناك نكهات مختلفة من هذا الأسلوب. بعد عمل ألين وتيلدسلي2، من الشائع أن متوسط على مدى تسلسل كتل الوقت، من طول أطول على نحو متزايد، وتقدير الانحراف المعياري فيما يتعلق بالمتوسط ^{الحسابي17}. يمكن الوصول إلى التقارب في حدود أحجام كتلة كثيرة وطويلة بما فيه الكفاية، عندما يكون أخذ العينات غير مرتبط. على الرغم من أن قيمة العتبة الفعلية للتقارب عادة ما تحتاج إلى اختيار يدويا.
   1. استخدم طريقة ^النصف18: بدءا من عينة البيانات الأولية، في كل خطوة κ، خفض عدد العينات إلى النصف بمتوسط كل عينتين متتاليتين مناظرتين من الخطوة السابقة κ−1:
      
   2. تشغيل البرنامج النصي fullaverages.py لإجراء التحليل الإحصائي الكامل، بما في ذلك خطأ المتوسط. في نوع سطر الأوامر:
      fullaverages.py -s -u <وحدات>
      ملاحظة: يتم أتمتة البرنامج النصي إلى نقطة البحث عن كافة ملفات .dat.umd في الدليل الحالي وإجراء التحليل لكافة منهم. الافتراضات هي -s 0 -u 0. ل-u 0 الإخراج هو الحد الأدنى، وبالنسبة ل-u 1 الإخراج بالكامل، مع عدة وحدات بديلة المطبوعة. يتطلب هذا البرنامج النصي دعم رسومي، حيث يقوم بإنشاء صورة رسومية للتحقق من التقارب لتقدير الخطأ على الوسط.

النتائج

البيروليت هو نموذج متعدد المكونات سيليكات تذوب (0.5Na2O 2CaO 1.5Al2O3 4FeO 30MgO 24SiO2) الذي يقترب على أفضل وجه من تكوين الأرض السيليكات السائبة - المتوسط الجيوكيميائية أو كوكبنا بأكمله، باستثناء نواته القائمة على ^{الحديد19}. سيطر على الأرض في وقت مبكر من قبل سلسلة من الأحداث ذوبان واسعة ^{النطاق20}، وآخر واحد قد اجتاحت الكوكب بأكمله، بعد تكثيفه للقرص ^protolunar21. ويمثل البيروليت أفضل ما يقرب من تكوين محيطات الصهارة على نطاق كوكبي. وبالتالي، درسنا على نطاق واسع الخصائص الفيزيائية للذوبان البيروليت في نطاق درجة الحرارة 3000\u20125،000 K و 0\u2012150 GPa نطاق الضغط من المحاكاة ab initio الجزيئية الديناميات في تنفيذ VASP. هذه الظروف الدينامية الحرارية تميز تماما ظروف المحيط الصهارة الأكثر تطرفا على الأرض. دراستنا هي مثال ممتاز على الاستخدام الناجح لحزمة UMD للتحليل المتعمق الكامل ^{للذوبان22}. قمنا بحساب التوزيع ومتوسط أطوال السندات ، وتتبعنا التغيرات في التنسيق بين cation والأكسيجين ، وقارنا نتائجنا بالدراسات التجريبية والحسابية السابقة على السيليكات غير المتبلور من مختلف التراكيب. ساعد تحليلنا المتعمق على تحليل أرقام التنسيق القياسية في مكوناتها الأساسية ، وتحديد وجود بوليهيدرا التنسيق الغريبة في الذوبان ، واستخراج العمر لجميع بوليهيدرا التنسيق. كما أوجزت أهمية أخذ العينات في عمليات المحاكاة من حيث طول المسار وكذلك عدد الذرات الموجودة في النظام الذي تم نمذجته. أما بالنسبة للمعالجة اللاحقة، فإن تحليل UMD مستقل عن هذه العوامل، ومع ذلك، ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار عند تفسير النتائج التي توفرها حزمة UMD. هنا، نعرض بعض الأمثلة على كيفية استخدام حزمة UMD لاستخراج العديد من الميزات المميزة للذوبان، مع تطبيق للبيروليت المنصهر.

تظهر وظيفة توزيع زوج Si-O التي تم الحصول عليها من النص gofrs_umd.py أن نصف قطر مجال التنسيق الأول ، وهو الحد الأدنى الأول لوظيفة g(r) ، يقع حول 2.5 angstroms في T = 3000 K و P = 4.6 GPa. الحد الأقصى للز (ص) يكمن في 1.635 Å- وهذا هو أفضل تقريب لطول الانحناء. الذيل الطويل بسبب درجة الحرارة. باستخدام هذا الحد كمسافة السندات Si-O، يظهر تحليل المواصفات أن وحدات _SiO4، التي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى بضعة بيكوثانية، تهيمن على الذوبان (الشكل 5). هناك جزء مهم من الذوبان الذي يظهر البلمرة الجزئية ، كما ينعكس في وجود ديمرات مثل _Si2O7 ، والديكورات مثل وحدات _Si3Ox. حياتهم المقابلة هي في ترتيب picosecond. البوليمرات عالية الترتيب كلها أقصر بكثير مدى الحياة.

الشكل 5: عمر الأنواع الكيميائية Si-O.
يتم تحديد الطيف في ذوبان متعدد المكونات في 4.6 GPa و 3000 K. علامات التسميات _SiO3، _SiO4، وsiO5 مونومرات والبوليمرات _SixOy المختلفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

القيم المختلفة للخطوات العمودية والأفقية، التي تعرفها علامات -z و-v أعلاه، تعطي عينات مختلفة من MSD (الشكل 6). حتى القيم الكبيرة من z و v كافية لتحديد المنحدرات وبالتالي معاملات الانتشار للذرات المختلفة. مكسب في الوقت المناسب لمعالجة ما بعد لافت للنظر عند الذهاب إلى قيم كبيرة من ض و الخامس. يقدم MSD معيارا قويا جدا للتحقق من جودة المحاكاة. إذا لم يكن جزء نشر MSD طويلا بما فيه الكفاية ، فبهذه الإشارة تكون المحاكاة قصيرة جدا ، وتفشل في الوصول إلى الحالة السائلة بالمعنى الإحصائي. الحد الأدنى من متطلبات نشر جزء من MSD يعتمد اعتمادا كبيرا على النظام. يمكن للمرء أن يتطلب أن جميع الذرات تغيير موقعها مرة واحدة على الأقل في هيكل ذوبان من أجل أن ينظر إليها على أنها ^fluid10. مثال ممتاز مع التطبيقات في علوم الكواكب هو السيليكات المعقدة يذوب في ضغوط عالية قريبة من أو حتى تحت خط liquidus ^بهم11. ذرات Si ، والكاتيونات الرئيسية لتشكيل الشبكة ، والتبديل المواقع بعد أكثر من عشرين picoseconds. وستكون عمليات المحاكاة التي تقل عن هذه العتبة أقل بكثير من أخذ عينات من الحيز التكويني المحتمل. ومع ذلك ، كما anions التنسيق ، وهي ذرات O ، تتحرك بشكل أسرع من ذرات Si المركزية ، فإنها يمكن أن تعوض عن جزء من الحركة البطيئة لل Si. على هذا النحو ، يمكن للنظام بأكمله أن يغطي بالفعل عينة أفضل من المساحة التكوينية مما يفترض فقط من عمليات الإزاحة Si.

الشكل 6: الإزاحة المتوسطة المربعة (MSD).
ويتضح MSD لبضعة أنواع ذرية من ذوبان السيليكات متعدد المكونات. أخذ العينات مع مختلف الخطوات الأفقية والعمودية، ض والخامس، تسفر عن نتائج متسقة. دوائر صلبة: -z 50 -v 50. الدوائر المفتوحة: -z 250 -v 500. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وأخيرا، فإن وظائف VAC الذرية تسفر عن الطيف الاهتزازي للذوبان. ويبين الشكل 7 الطيف في نفس ظروف الضغط ودرجة الحرارة المذكورة أعلاه. نحن نمثل مساهمات ذرات Mg و Si و O ، بالإضافة إلى القيمة الإجمالية. عند التردد الصفري هناك قيمة محدودة للطيف ، والتي تتوافق مع طابع انتشار الذوبان. استخراج خصائص الديناميكا الحرارية من الطيف الاهتزازي يحتاج إلى إزالة هذا الطابع نشر مثل الغاز من الصفر ولكن أيضا أن تأخذ في الاعتبار بشكل صحيح تسوسها في ترددات أعلى.

الشكل 7: الطيف الاهتزازي للبيروليت يذوب.
الجزء الحقيقي من تحويل فورييه من سرعة الذرية سرعة وظيفة الارتباط الذاتي تسفر عن الطيف الاهتزازي. هنا يتم حساب الطيف لذوبان سيليكات متعدد المكونات. السوائل لها طابع نشر غير صفري يشبه الغاز عند تردد صفري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

تم تصميم حزمة UMD للعمل بشكل أفضل مع محاكاة ab initio ، حيث يقتصر عدد اللقطات عادة على عشرات إلى مئات الآلاف من اللقطات ، مع بضع مئات من الذرات لكل خلية وحدة. كما يمكن أيضا إجراء عمليات محاكاة أكبر شريطة أن يكون لدى الجهاز الذي تعمل عليه المعالجة اللاحقة موارد ذاكرة نشطة كافية. يميز الرمز نفسه بواسطة مجموعة متنوعة من الخصائص التي يمكن حسابها و ترخيص مفتوح المصدر الخاص به.

ملفات .dat umd مناسبة للفرق التي تحافظ على عدد الجسيمات دون تغيير طوال المحاكاة. يمكن لحزمة UMD قراءة الملفات النابعة من الحسابات حيث يختلف شكل وحجم مربع المحاكاة. وتغطي هذه الحسابات الأكثر شيوعا، مثل NVT و NPT، حيث يتم الاحتفاظ بعدد الجسيمات، N، درجة الحرارة T، الحجم، V، و / أو الضغط، P، ثابتة.

في الوقت الذي تبدأ فيه وظيفة توزيع الزوج وكذلك جميع النصوص التي تحتاج إلى تقدير المسافات بين الذرية ، مثل نصوص الأطياف ، تعمل فقط لخلايا الوحدة المتعامدة ، وهذا يعني الخلايا المكعبة والتتراغونية والعظام ، حيث تكون الزوايا بين المحاور 90 درجة.

خطوط التنمية الرئيسية للإصدار 2.0 هي إزالة قيود تقويم الأضلاع للمسافات وإضافة المزيد من الميزات لنصوص المواصفات: لتحليل الروابط الكيميائية الفردية ، وتحليل الزوايا بين الذرية ، وتنفيذ مجال التنسيق الثاني. بمساعدة من التعاون الخارجي، ونحن نعمل على نقل رمز على وحدة معالجة الرسومات لتحليل أسرع في أنظمة أكبر.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
مكتبة			مكتبة كرة
مكتبة matplotlib			مفتوحة المصدر
مكتبة
المصدر مكتبة
برنامج Python	Python	Foundation الإصدار 2 و 3
مكتبة
مكتبة مفتوحة المصدر مكتبة
Scipy			المصدر
مكتبة معالجة
مكتبة