基于GROMACS的冰晶剪切过程分子动力学模拟

关键词：GROMACS； 冰 ； 剪切 ; 分子动力学 模拟

分子模拟研究 冰晶 在剪切载荷下的行为，能在原子尺度上追踪位错与层错的成核与迁移、氢键网络的断裂—重构，以及 不 同晶型冰晶 的堆垛重排乃至局部无定形化过程，弥补宏观与显微实验在纳米时空分辨率上的不足。由此可定量获得临界剪切应力、应变速率与温度依赖等关键参数，解释冰 —冰接触 摩擦、裂纹偏转与细观塑性等力学现象 ， 并为冰盖与行星冰层的物理建模、寒区工程稳定性评估，以及抗结冰/除冰材料与结构设计提供可验证的 理论 依据。 借助   GROMACS   这一高性能开源 MD 模拟软件 ，我们 在本案例中 对   Ih 冰进行 剪切 模拟，可视化 冰晶格 在不同 剪切过程 的演变 。

初始模型的构建

在本案例中我们的研究对象为 Ih 型冰 。我们 采用Genice程序构建 冰晶胞的初始模型如图 1 所示：

图 1 冰晶胞模型

在本案例中，我们考察冰晶胞 的c轴沿着y方向剪切的动力学过程。剪切速度为0.005nm/ps， 温度控制在250K， 采用tip4p-ice水模型，进行200ps的剪切模拟。 采用N V T系综 ，不考虑控压 。为了实现 剪切 模拟，我们需要在参数控制文件中加入以下参数：deform= 0 0 0 0 0 0.005 ，部分参数如图 2 所示：

图 2 部分 mdp 参数

模拟结果分析

经过能量最小化和200ps的模拟后，我们可以考察冰晶格的变化，如图 3 所示 。可以看到， 在剪切过程中 盒子逐渐从正交变成倾斜的。 在拉伸 150 ps时冰晶胞 已经发生明显的剪切 ，到200 ps的时候 局部冰晶格 已经完全 被 破坏了。

图 3 剪切 过程冰晶胞的变化

在整个模拟过程中系统温度都较好地控制在250 K附近，如图4所示。我们 还可以 进一步 考察冰剪切过程中的能量变化，可以看到剪切过程中系统的能量一直在升高，如图 5 所示。

图4 拉伸过程系统的温度变化

图 5 拉伸过程冰晶胞的能量变化

结语 通过GROMACS分子动力学模拟， 本案例成功探究 了 冰晶胞 剪切 的 演变过程。 对于相关领域的研究人员和工程师来说，本案例提供了一个有力的工具，可以为解决实际问题提供理论依据和技术支持。

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