基于AIMD的富勒烯形成机理动力学研究 原创

关键词：AIMD；xtb；富勒烯；分子动力学

背景介绍

富勒烯是一类具有高度对称性的碳分子，其独特的结构使其在材料科学、化学反应、纳米技术等领域具有广泛的应用前景。富勒烯的形成过程涉及复杂的反应机制和分子间相互作用，因此，研究其形成机理对于理解富勒烯合成的热力学和动力学特性至关重要。传统的实验方法难以从原子尺度揭示富勒烯的形成过程，而基于从头算（AIMD，Ab Initio Molecular Dynamics）模拟的研究可以在微观层面直观展示这一过程，从而为富勒烯的合成提供理论指导。

本案例基于xtb软件，采用AIMD方法模拟富勒烯的形成过程。

初始模型构建

首先利用VMD的extensions-modeling-nanotube Builder模块构建（5，5）手性，管长7埃的碳纳米管作为初始模型，如图1和2所示：

图1 VMD构建碳纳米管的界面

图2 初始碳纳米管模型

模拟在3000K下进行，注意温度既不能太高，也不能太低。模拟时间设置为20ps,步长为1.5fs。由于模拟过程会牵扯到键的形成和断裂，因此不能对键长进行约束，shake要设置为0。xtb的输入文件如图3所示：

图3 xtb 的输入文件

模拟分析

经过20ps的模拟后，可以观察到碳纳米管的结构演变以及富勒烯的形成过程，如图4所示：

图4 富勒烯的形成过程

可以看到，模拟过程中，碳纳米管先发生扭曲变形，随后一端开始发生封闭，当两端都封闭后逐渐形成球形的富勒烯，模拟至20ps，完美的C60富勒烯已经能自发形成。

结语

本案例基于xtb软件采用AIMD方法成功实现了富勒烯的形成模拟，为未来的富勒烯合成和材料设计提供了理论支持。随着计算能力的不断提升，我们有望在未来开发出更高效、更可控的富勒烯合成方法。

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