QuantumATK在聚合物材料建模与模拟中的应用

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1 概述
2 应用
3 聚合物建模工具与模拟流程
3.1 聚合物模型建模工具
3.2 单体数据库
4 聚合物模拟的流程
5 聚合物平衡化自动化流程工具
6 聚合物热-力学性质模拟
6.1 动态拉伸过程与模量
6.2 聚合物的玻璃化转变
6.3 非平衡态热导
6.4 电子态与光学性质
7 计算性能测试
8 参考
9 立即试用 QuantumATK！

概述

聚合物材料建模与聚合物工程的热-力学和其他性质的模拟，与无机材料、有机小分子材料有很大的不同，一方面，聚合物分子巨大的分子量和链内巨大的自由度给原子级的建模和计算带来很大的困难；另一方面，聚合物体系有许多独特的热-力学特性，例如玻璃化转变、粘弹性和动态模量等等；聚合物链段与其他链段、小分子、表面、纳米粒子的相互作用也与其他有机物体系区别很大。

应用

  • 模拟特定化学组分的聚合物体系
    • 热塑性与热固性高分子
    • EUV光刻胶
  • 热-力学性能
    • 玻璃化转变，弹性，动态模量，粘度
    • 热传导
    • 研究聚合物在高形变、高剪切速率，高加热/冷却速率下的性能
  • 聚合物相容性
    • 聚合物链段之间相互作用、聚合物链段与其他分子的相互作用
  • 包裹在纳米粒子、表面周围的聚合物熔体

聚合物建模工具与模拟流程

QuantumATK 提供了友好的工具支持构建各种聚合物模型，构建各种聚合物分子模型、嵌入小分子的聚合物、与纳米粒子、表面结合模型，等等。构建的聚合物模型可以直接使用软件提供的多种方法（基于Dreiding、OPLS-AA力场）进一步的平衡化，包括使用 force-capped-equilibration 作为初始平衡化方法、single-chain mean field（SCMF）方法、21步聚合物平衡化自动化流程工具，等等。平衡化后的聚合物可以用多种工具进行性质模拟，例如 NVE、NVT、NPT 系综的分子动力学（MD），用来模拟长时域动力学的 time-stamped force-bias Monte Carlo 方法，以及用于模拟热传导的非平衡态动量交换方法。

聚合物模型建模工具

使用图形化、自动化无定形聚合物链段建模工具可以：

  • 方便的快速方便的构建均聚物、共聚物
    • 控制单体序列、比例、端基与立构规整度
  • 直接创建聚合物多链熔体、共混聚合物
  • 在聚合物建模的同时嵌入小分子、纳米离子，以研究性能变化或扩散
  • 构建聚合物与无机、金属等材料的表面等复杂结构
  • 使用交联反应工具创建交联聚合物结构，评估交联反应度
    • 可以自定义交联位点
  • 生成的模型可以立即用于进一步的平衡化和模拟
多种均聚物的创建窗口，结构控制选项
在聚合物种嵌入纳米离子和小分子等结构
多种链段共混聚合物
无定形SiO2（OH端基）与PMMA接触界面
聚合物种嵌入小分子

单体数据库

QuantumATK包含常用预定义的单体结构库，用户还可以自己定义单体结构。

聚合物模拟的流程

在QuantumATK中，可以一体化完成蒙特卡洛方法聚合物链建模、Force-capped-equilibration，SCMF equilibration 以及聚合物体系热传导等各种动力学性质计算。

  • 支持图形用户界面（GUI）和 Python 脚本的自动化工具
  • 丰富的模拟方法
  • 自动力场生成，支持
    • DREIDING
    • OPLS-AA
    • UFF
  • 电荷平衡化可以使用 Qeq 和 ReaxFF 电荷平衡化方法
  • 交联反应工具
  • 参考链接：

聚合物平衡化自动化流程工具

  • 按照交替使用 NVT/NPT 动力学的 21 步复杂流程
    • 从高温高压逐渐降低至目标值
  • 支持从每个 MD 模拟步骤继续计算
  • 自定义参数，例如最大温度和压力，最终温度和压力
  • MD时长推荐值为 1.56 ns，但是可以用比例因子调节

聚合物热-力学性质模拟

动态拉伸过程与模量

  • 采用应力–应变分子动力学（MD）方法计算聚偏氟乙烯（PVDF）熔体的杨氏模量
  • 与实验值吻合很好：计算值 2.5 GPa，实验值 2.6 GPa

聚合物的玻璃化转变

通过合理的控制升温过程，可以模拟聚合物的玻璃化转变过程，得到Tg。

非平衡态热导

QuantumATK 可以使用非平衡态动量交换方法对聚合物体系进行非平衡态的热传导计算。这种方法的工作原理是将一个区域（冷源）的最“热”的原子与另一区域（热源）的最“冷”的原子进行交换，这样在材料中产生一个温度梯度和热流，从而计算热传导。使用空间区域的方法定义“冷”“热”区域（而不是原子标记），使得这种方法现在可以用于液体/流体体系。

图：热导率从温度的梯度、计算得到的能量传输速率和晶胞的尺寸计算得到。计算结果0.14W/mK，实验值0.16W/mK。

电子态与光学性质

QuantumATK可以使用DFT、DFTB来计算分子、固体的光谱，其中DFTB可以快速有效的计算大型体系的电子态和光学性质。

计算性能测试

聚合物模拟动辄几十万数百万原子，因此高效率的计算十分必要，QuantumATK种相关的力场可以支持高效率并行，大大提升计算的速度。

  • QuantumATK 中力场对于单节点上的 OMP 线程和 MPI 进程并行效果类似
  • 使用 MPI 在多节点上并行时，一直到 ~2000 原子/核心时并行效率都保持的很好，因此可以支持聚合物体系的大规模并行

参考

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