分子力场中的多体范德华和磁性作用

Molecular dynamics simulation is one of the important numerical methods for micro- and nano-mechanics. The validity of the simulation depends on the accuracy of force field. Both many-body van der Waals interaction and magnetic interaction are important physical effects, widely existing in nature. Because conventional molecular dynamics only considers the degree of freedom of nuclei but ignores that of electron density, force field usually cannot consider the interactions. The many-body van der Waals method based on density functional theory has verified the importance of many-body effect in van der Waals systems, but the effects has not been included in molecular dynamics. Magnetic force fields are in the infancy and have seldom been used to understand the role of magnetic interactions in micro- and nano-mechanics. This proposal aims to introduce many-body van der Waals interaction to force fields and extend the theory of magnetic interactions in force fields. Besides, we will study the role of many body interaction in van der Waals systems such as layered and metal-organic framework and the effect of magnetic interaction on the propagation of crack in ferromagnetic bcc iron. At last, first-principles thoery will be used to verify the new fields.

分子动力学模拟是微纳米力学领域的重要数值研究途径之一，模拟结果的合理性很大程度依赖于力场的准确性。多体范德华作用、磁性作用是原子间真实存在的两类重要作用力。由于只考虑原子坐标自由度，不考虑电子自由度，传统的分子力场无法描述材料中的多体范德华作用和磁性作用。基于密度泛函原理的多体范德华方法已证实多体作用在范德华体系中的重要影响，但尚未被引入分子力场中；磁性分子力场的研究则处于起步阶段，对于微纳米力学行为的影响知之甚少。本项目拟发展含多体范德华作用的分子力场方法，拓展现有磁性分子力场模型；研究多体范德华作用对层状和金属有机范德华体系的作用规律，及磁性作用对磁性体心立方铁裂纹扩展的影响；利用第一性原理计算验证力场模型。

自然界中无处不在的范德华作用来源于瞬时涨落偶极矩间的相互作用，是一种多体效应。分子力场和第一性原理所采用对势叠加范德华能近似忽略原子分子间的偶极-偶极作用，无法正确描述多体范德华作用。本项目从多个角度研究了范德华作用的多体性质。1），发展了适用于第一性原理和分子动力学模拟的半经验范德华方法vdW2D。该法从新发展的二维晶体的Clausius-Mossotti关系出发，从介电函数算出材料中的原子极化率，进一步得到范德华C6系数，因此可考虑偶极-偶极作用和化学成键作用对层间范德华能的影响。vdW2D方法可高效且精确地描述一系列类石墨烯材料的范德华作用能，正确地预测范德华异质界面的相对作用强度，预测的六方氮化硼堆垛方式预测符合实验观测，并且可描述面内应变依赖的范德华能。2）通过随机相近似理论与多体色散范德华方法在理论上揭示了类石墨烯晶体的范德华屏蔽效应。计算表明在短程情况下单层石墨烯可以部分地屏蔽范德华作用能，屏蔽比例可达53%。不同的类石墨烯晶体范德华屏蔽能力与其电子带隙或介电常数有关，带隙较大的半导体性或绝缘体性的类石墨烯晶体的范德华屏蔽能力相对较弱。3）基于从头算的GW-BSE理论与范德华作用的经典Lifshitz理论，研究二维晶体中的电子-空穴作用对二维晶体层间的长程范德华作用能的影响，发现在较长程距离（~10000Å）时，电子-空穴作用可使范德华能增大~30%。上述研究有助于更好地实现范德华作用的准确描述，可用于指导对材料表面作用的理性调控。此外，本项目也研究了多体范德华作用对金属有机框架材料晶格结构的影响，以及sp2碳六方蜂窝中内部边缘磁性电子态的磁性交换作用。