纳米尺度波动：原子模拟的秘诀

模拟虚拟孪生

模拟是设计产品和理解科学现象时常用的虚拟孪生技术的基础。目前有大量的预测计算工具，描述几乎所有可能尺度的系统。例如，与COVID-19反应有关的最新计算研究，采用的手段包括从病毒蛋白的原子模拟方法到整个医院的流体动力学计算方法。

图1 一个简单实例：用BIOVIA Materials Studio模拟水的热运动。

一般的经验法则是，当我们从宏观到微观再到纳米尺度时，模拟会变得更加复杂和详细。大多数情况，还会增加对指定大小模拟的计算成本。例如，一个简单的杠杆弹簧的系统描述可以由带有一个变量（其位置）的方程组成。但是，要同时模拟所有原子几乎是不可能的，即使是原子力显微镜中使用的非常小的弹簧状悬臂，对其所有原子进行模拟是不可能的。

另一方面，试图通过将每个分子模拟成单个粒子来了解药物分子对蛋白质受体的影响或化学成分对催化剂性能的影响，将丢失有意义的化学细节。

选择合适的模拟方法

即使对于经验丰富的专业人员，为给定问题选择合适的仿真方法也是一项极为重要的决定，尤其是在介观和微观尺度的方法选择方面。这篇文章将提供一个直接的规则来帮助您确定合适的模拟技术，特别是从宏观（局域级）描述转换到粒子级计算（原子或珠子）时，或者从原子模拟转换到电子（量子力学）模拟时。

选择合适的计算方法的关键是确定导致您想了解的现象的潜在波动。

最小的变化是什么，如果没有这些变化，物理或化学效应就根本不起作用？

原子模拟

在许多情况下，这种识别是相当简单的。例如，任何物质中原子的热运动都会产生熵和温度相关的性质变化，如热容量或热膨胀。要在纳米水平上理解潜在波动的起源，通常需要原子模拟以飞秒的分辨率来研究单个原子的运动。对于电子也能携带大量热量的金属来说，这就有点困难了，这意味着需要进行量子力学计算来处理潜在的电子涨落。另外，如果你想模拟由单个颗粒组成的材料样品的热量运动，那么更大的尺度，“代表性体积元（RVE）”类型的计算将是合适的。当然，全原子模拟可能会花费大量的时间，而不会产生更多有用的信息。

复合材料物理化学性质的模拟比较复杂。工程师们通常对机械强度、重量及其统计变化感兴趣，这些可能足以进行局域级模拟。而，从头设计一种材料需要回到微观结构，例如，在纳米尺度上研究原子组成的波动。在制造过程中，通过确定哪些分子交联，哪些分子未发生反应，判断这些波动推动了复合材料的固化。因此，这些波动在确定材料的最终性质中起着决定性的作用。要详细理解这个过程，需要原子级的详细模拟。然后，您可以在RVE模型中再次使用原子学知识，将其与工程师感兴趣的更大规模的热学和力学特性联系起来。

图2 树脂混合物的原子模拟

模拟退化过程

电池则是另一个具有说明性的例子，特别是它们的退化机制。最终，手机和电动汽车电池的容量衰减是由分子水平的波动和时间尺度上的逐渐变化造成的，从几小时到几年不等。从微观的角度来看，电解质中单个组分的降解或晶格缺陷的形成是由于分子水平的波动导致，需要全原子甚至量子力学计算。其中一些化学退化导致在多次充放电循环中形成化学非活性层，并在此层中储存锂。在这方面，整个充放电循环的系统级模拟是唯一的出路。另一种已知的退化机制来自于电极粒子的膨胀和收缩（当然，这是一个原子过程）。导致活性材料电气断开的波动与微米级裂纹有关。原则上，这些可以通过有限元模拟来理解。

模拟反应体系

化学反应是本文讨论的最后一个例子。在最小的尺度上，这些反应是由热波动引起的，导致原子探索它们的环境，并最终跨越一个能垒进入一个新的状态。从反应物到生成物的运动也受分子轨道变化的控制。要了解不同环境中给定反应的速率，需要高度精确的电子结构模拟。然而，超越单分子反应对于量子力学来说变得非常麻烦。此外，这里的相关波动涉及反应物和产物的局部浓度或它们在催化剂表面上的相对位置。在这种情况下，最好是将反应系统作为一个整体来建模，或者选择单个分子变化作为最小的相关“波动”，然后进行蒙特卡罗式模拟。

图3 简单的反应图示，显示了反应物的热波动如何导致过渡态（TS）和后续反应的探索。