ReaxFF – 分子动力学模拟化学反应

概述

通过反应力场的分子动力学、蒙特卡洛方法，模拟燃烧、裂解、催化、超临界、电池、电气工程、建材、摩擦、生物药物、钙钛矿、半导体、含能材料、化学气相沉积等相关化学反应。包含多种化学反应加速算法；eReaxFF功能用于电池、太阳能电池等离子电子过程。笔记本即可运行一般几千原子的模拟，小规模集群可以支持上百万原子级别的模拟。

AMS 平台环境中 ReaxFF 的优势

• 图形界面完善，初学者也能正确使用。ReaxFF的开发者Adri van Duin在研究过程中，也大多使用AMS中的ReaxFF，详见Adir van Duin文章。
• 重写了ReaxFF全部代码，去除了内存方面的瓶颈，MPI结合OpenMP并行计算，效率远高于原始程序
• 算法更严谨，例如：
  • 外加电场时，不仅对原子受力的影响，也考虑对能量。
  • 原子间距过低时报错终止计算。
  • 严谨检查力场参数，如果缺少参数则不允许运行。如果缺键参数仍然运行，结果是错误的。
• 化学反应发生的时间太晚，是ReaxFF模拟最常见的痛点，AMS中开发了加速反应发生的算法：
  • REMD：加速分子动力学模拟中反应发生
  • Bond Boost：加速分子动力学模拟中新键形成
  • fbMC：加速分子动力学模拟中反应发生
  • CVHD：加速分子动力学模拟中的裂解反应发生
  • 纳米球形反应器：加速低温均相反应
  • Targeted MD：强制反应
• AMS中包含大量围绕分子动力学研究化学反应的工具：
  • ChemTraYzer：使用ChemTraYzer分析分子动力学轨迹，得到基元反应、反应速率常数、“像反应物”或“像产物”程度打分
  • ACE Reaction Network：根据反应物、产物的分子结构，筛选反应通道
  • Reaction Discovery：快速确认（副）反应可能性、（副）产物可能性
  • React Map：确定化学反应中反应物和产物之间的最佳原子映射
• 力场丰富，AMS2024 包括 133 种 ReaxFF 力场
• AMS配套了力场训练工具

ReaxFF 功能列表

• 力场（列表）
• 建模（教程）
  • 小分子混合物
  • 固体－小分子混合物建模
  • 随机聚合物建模
  • 表面吸附位点精确建模、调控
• 计算引擎
  • 分子枪：表面的沉积、刻蚀（教程）
  • 反应过程中移除特定产物（教程）
  • 添加匀强电场、弹性墙壁（教程）
  • 冲击与切割（教程）
  • eReaxFF功能（电子作为粒子参与反应）（教程）
  • 巨正则系综蒙特卡洛模拟（教程）
• 加速反应的算法
  • Collective Variable driven HyperDynamics （教程）
  • Bond Boost（教程）
  • fbMC（教程）
  • Replica Exchange（教程）
  • 纳米球形反应器（教程）
  • 强制反应（教程）
• 化学反应分析
  • 监控反应物、产物组分变化（教程）、基元反应分析、反应速率常数分析（教程）、表面吸附产物分布（教程）、聚合反应的交联率（教程）
  • 化学键、环结构数目变化统计（教程）、分子总数变化
• 材料性质
  • 温度分布（教程）、能量各分量、压强、密度
  • 气液界面、固液界面（教程）
  • 重力场下的分子动力学（教程）
  • 热导率（T-NEMD方法）
  • 应力张量（教程）、杨氏模量、屈服点、泊松比（教程）、摩擦系数（教程）、应力-应变曲线-断裂点（教程）
  • 扩散系数（教程）、粘度（教程）
  • 离子电导率（教程）
  • 径向分布函数（教程）、自相关函数
  • 玻璃化温度（教程）
  • 热膨胀系数（教程）
  • 吸附等温线（教程）
  • 锂硫电池锂化放电过程的电压特性（教程）
• 智能化功能
  • 表面吸附位点自动探索（教程）
  • 表面化学反应通道自动探索（教程）
  • 根据反应物自动预测反应网络（教程）

对其他模块的依赖关系

• AdvancedWF模块
  • ChemTraYzer2.0：对各类体系的轨迹进行基元反应，并能输出反应级别、实验单位的反应速率常数、布居统计等
  • ACE-Reaction：反应通道的快速预测
  • Reaction Discovery：快速确认（副）反应可能性、（副）产物可能性
  • React Map：确定化学反应中反应物和产物之间的最佳原子映射
  • ParAMS：力场优化、训练
• ADF或BAND模块：ADF与BAND是AMS内置的DFT计算模块，分别用于分子体系、晶体的DFT计算，生成DFT训练集，用于ParAMS进行力场的训练、优化

案例与教程

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• 中文教程