Materials Studio官方教程：Forcite——计算金属的熔化温度【1】

Materials Studio官方教程：Forcite——计算金属的熔化温度【2】

现在，将使用Amorphous Cell Packing填充任务来构建共存单位晶胞。将固体NPT计算的最终轨迹复制到根目录中，并在此目录下执行之后的操作。

双击Project Explorer中的Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid.xsd文件，将已经平衡好的固态Cu结构设置为当前文档。

右键点击结构文件窗口，选择Copy。

在工程根目录中创建一个新的3D原子结构文档，打开新建的文档在结构窗口中单击右键并选择Paste。将该文件重命名为Cu_Build。

关闭Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid Forcite Dynamics\Cu_Solid.xsd文档。

现在应该有一个平衡后的固态结构的副本，Cu_Build.xsd，处于打开状态。

将约束这些原子，在动力学模拟中不移动，为计算做准备，并扩展单位晶胞，从而包括真空区域。

选择Edit | Select All。选择Modify | Constraints，打开Edit Constraints对话框。勾选Fix Cartesian position复选框，关闭对话框。

为了保持界面的完整性，如果原子在动力学计算过程中移动并超出周期性边界，请隐藏除原始晶胞内容外的所有内容。

在结构文件的结构窗口中单击右键，并选择Display Style，打开Display Style对话框。在Lattice选项卡中，将Display Style更改为Original，关闭对话框。

在结构文件的结构窗口中单击右键，并选择Lattice Parameters，打开Lattice Parameters对话框。在Advanced选项卡中，取消勾选Keep fractional coordinates fixed during changes to the lattice选项卡。在Parameters选项卡中，将c值加倍，并关闭对话框。

现在建立了一个原子结构文档，其中一半为固体结构，另一半为真空层。

按向上键两次以旋转结构。

选择Tools | Atom Volumes & Surfaces，打开Atom Volumes & Surfaces对话框。保持所有设置为默认设置，单击Create按钮。等待此过程完成，然后关闭对话框。

这现在应该已经创建了一个分隔固体和真空区域的等值面。Amorphous Cell Packing填充任务将填充在封闭的等值面中。刚才创建的等值面现在封闭固体部分，因此需要将其反转，以便在继续之前封闭真空区域。

打开Display Style对话框，在Isosurface选项卡中，勾选High values inside选项卡。关闭对话框。

现在真空区域可被填充。

打开Amorphous Cell Calculation对话框。将Task设置为Packing，Density设置为之前计算的值。该值应在约7.7左右。

在Composition列表中，Cu_Atom.xsd仍应存在。单击More...按钮，打开Amorphous Cell Packing对话框。勾选Pack in isosurface enclosed volume复选框，关闭对话框。

单击Options...按钮，打开Amorphous Cell Options对话框，确保Optimize geometry仍处于未被勾选状态。关闭对话框。

确保Cu_Build.xsd结构为当前文档，然后单击Run按钮，开始结构构建。关闭对话框。

将在Project Explorer中创建一个新的文件夹Cu_Build AC Packing，在计算完成后，填充计算任务的输出结果即储存于此文件夹中。

现在将单帧输出轨迹复制到一个新的原子结构文档中。

将Cu_Build AC Packing\Cu_Build.xtd设置为当前文档。

从菜单栏中选择Edit | Select All，然后选择Edit | Copy。

在工程根目录中创建一个新的3D原子结构文档，打开该文档在结构窗口中点击右键，并选择Paste。选择等值面，并按下DELETE键。

将该文档重命名为Cu_Melt。

6、确定熔化温度

注意：在此阶段，可以通过在Display Style对话框中选择Color by Constraint来检查原子是否被固定。

现在运行一个短时间的NVT计算，以最小化液态中的应力。

选择Cu_Melt.xsd作为当前文档，打开Forcite Calculation对话框。

打开Forcite Dynamics对话框，将Ensemble设置为NVT，Total simulation time设置为5 ps，Temperature设置为1500 K。将Frame output every更改为250。在Thermostat选项卡中，将Thermostat选择为Velocity Scale。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算。

将建立一个名为Cu_Melt Forcite Dynamics的新文件夹。等待此运行完成。

在这个阶段，通常会在NPT系综中，在估计的熔点附近的温度范围内进行一系列计算。在计算过程中，晶胞熔化或凝固的程度提供了一个指标，表明整体温度与熔化温度的接近程度。对于该势能，1200 K最接近熔化温度。根据NPT运行的最终轨迹，将运行NPH计算，该计算应平衡到熔化温度。

为了节省时间，将在1200 K时仅执行一次NPT计算。首先，删除先前添加的约束。

打开Cu_Melt Forcite Dynamics\Cu_Melt.xsd作为当前文档。

选择Edit | Select All，选择所有原子，然后选择Modify | Constraints，打开Edit Constraints对话框。取消勾选Fix Cartesian position复选框，关闭对话框。

现在将运行NPT计算。晶体和液态的密度应与所施加的压强相匹配，但现在它们之间存在一个界面区域，该区域的密度可能不同，因此必须允许c晶格参数对此进行调整。但是，a和b晶格参数的作用不同（它们由晶体的晶格常数决定），因此需要一个允许晶胞参数独立变化的恒压方法，如Parrinello恒压方法。

打开Forcite Dynamics对话框。

将Ensemble设置为NPT，Total simulation time设置为25 ps，Temperature设置为1200 K。

在Thermostat选项卡中，将Thermostat设置为NHL。

在Barostat选项卡中，将Barostat设置为Parrinello。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算。

此运行可能比以前的计算所用时间稍长。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

现在已经准备好了一个接近熔化温度的晶胞，可以运行NPH系综中的主要计算。

打开Cu_Melt Forcite Dynamics\Cu_Melt Forcite Dynamics\Cu_Melt.xsd作为当前文档。

打开Forcite Dynamics对话框。

将Ensemble设置为NPH，Total simulation time设置为50 ps。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算，关闭对话框。

注意：温度场可用于NPH系综计算，这似乎与传统相悖。然而，该输入温度决定了几个恒压方法的Q系数。

该势能的NPH计算平衡温度在1179 K左右。

虽然详细的步骤应能提供材料熔化温度的合理估计，但注意到，铜计算的值与实验获得的值（1358 K）大不相同。如果使用此方法进行研究，请记住以下几点：

• 该方法有效地计算了势能的熔化温度。因此，从未打算用来描述材料熔点的势能，或拟合不良的势能，可能会导致熔化温度与实验值大不相同。

• 根据使用的势能，运行时参数（如截断距离）可能起作用。

• 在该模拟中，使用了Cu(1 0 0)表面。但是，其他表面，如(1 1 1)的性质可能不同。

可能存在影响结果准确性的有限尺寸效应。

由于这是一个教程，为了保持低运行时间，使用了一个较小的晶胞。

在实际计算中，应确保模拟在单元长度和界面面积方面收敛，并且体系应足够大，尺寸效应可以忽略不计。参考资料中对这些注意事项进行了更详细的说明。

从菜单栏中选择File | Save Project。

本教程到此结束。

本教程对应视频将在杨站长视频号、华算科技B站同步推送，敬请各位关注。

参考文献：

Asadi, E.; Zaeem, M. A.; Nouranian, S.; Baskes, M. I., "Two-phase solid–liquid coexistence of Ni, Cu, and Al by molecular dynamics simulations using the modified embedded-atom method", Acta Mat., 86, 169-181 (2015). http://dx.doi.org/10.1016/ j.actamat.2014.12.010.

Karavaev, A. V.; Dremov, V. V.; Pravishkina, T. A., "Precise calculation of melting curves by molecular dynamics", Comp. Mat. Sci., 124, 335-343, (2016). http:// dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2016.08.014.

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