Quali software non commerciali possono essere utilizzati per modellare il carbonio amorfo?
Ho una buona idea di generare e modellare materiali cristallini, ma quali programmi software non commerciali possono essere utilizzati per modellare il carbonio amorfo di una dimensione specifica, ad esempio un $6\times6\times6$ Å un cubo pieno di carbonio amorfo?
Risposte
$6\times6\times6$ $Å^3$è una dimensione molto piccola per un materiale amorfo, che presumibilmente non ha un ordine a lungo raggio. Ma la dimensione minima che produce un utile campione amorfo dipende dal materiale e dalla proprietà che si desidera studiare.
La difficoltà di solito risiede nella generazione dei campioni amorfi che si desidera esaminare. Qui, l'approccio tradizionale è melt-and-quench (MQ), in cui si randomizzano le posizioni degli atomi con dinamiche molecolari (MD) ben al di sopra della temperatura di fusione del materiale. Quindi la massa fusa viene raffreddata rapidamente, le velocità di raffreddamento sono spesso comprese tra 1 e 50 K / ps. Ecco un tutorial che ti guida attraverso i passaggi, per un software commerciale, ma questo è l'unico tutorial che io sappia. Dovresti essere in grado di replicare i passaggi con qualsiasi pacchetto MD (campo di forza, semi-empirico, DFT) che ti piace.
La MD può essere eseguita con DFT per piccoli campioni e per brevi tempi MD, diverse dozzine di ps al massimo. Diversamente l'MQ può essere eseguito con la classica MD data la disponibilità di una opportuna parametrizzazione oppure con un metodo semi-empirico come DFTB. Successivamente, il campione può essere ulteriormente ricotto o ottimizzato e studiato a qualsiasi livello di teoria desiderato.
Finché il software è in grado di gestire da poche dozzine a centinaia di atomi, puoi usarlo per studiare materiali amorfi.
Non sono un esperto in questo settore, ma solo per far girare la palla ...
Il problema principale della simulazione di fasi disordinate è che in genere sono necessarie celle di simulazione di grandi dimensioni per acquisire le scale di lunghezza rilevanti associate al disturbo di interesse. Grandi caselle di simulazione in genere significano un compromesso in termini di metodo di calcolo che puoi utilizzare. Ad esempio, l'utilizzo dei metodi DFT tradizionali è limitato a circa 1.000 atomi.
In questo contesto, negli ultimi anni c'è stato molto lavoro sullo sviluppo di potenzialità di machine learning (termine molto generico) parametrizzate con calcoli DFT, che danno accuratezze simili a quelle di DFT ma con una spesa computazionale molto inferiore, consentendo simulazioni come quelle ti interessa. Per evidenziare un esempio, selezionerò lo schema Gaussian Approximation Potential (GAP), per il quale puoi trovare il codice qui . Ho scelto GAP per la mia risposta perché recentemente ho letto un articolo che lo utilizzava guardando direttamente ciò che ti interessa, il carbonio amorfo. Puoi trovare il documento qui .
Quello che hanno detto gli altri è valido. Ma solo per rispondere in modo specifico alla tua domanda, se vuoi fare DFT, ci sono molti pacchetti gratuiti che possono fare questo tipo di cose. Se vuoi fare AIMD, CP2k è molto veloce e può gestire molti atomi (ma è davvero difficile da compilare!). Lavoro principalmente su calcoli dinamici reticolari e per questo utilizzo ABINIT. ABINIT può anche fare molte cose diverse con AIMD, ma non l'ho mai usato per questo. Penso che CP2k sarà più veloce per AIMD a causa degli algoritmi che usano, ma non posso fornire alcun dettaglio senza fare qualche ricerca su Google. Alcuni altri software gratuiti che ho usato e che funzionano bene sono Quantum Espresso e GPAW.
Se vuoi fare solo dinamiche molecolari classiche (cioè molti più atomi in una cellula) puoi provare LAMMPS (molto buono) e Gromacs (non l'hanno usato). Non posso dire se i potenziali empirici saranno adatti o meno al tuo problema (questa è una domanda di fisica importante che dovrai considerare) ma ci sono molte opzioni tra cui scegliere per il carbonio. Controlla i potenziali forniti con LAMMPS.
Infine, è possibile eseguire simulazioni ibride quantistiche / classiche. Penso che siano difficili da eseguire correttamente, ma alcuni colleghi mi hanno detto che sono uno strumento molto potente. È possibile calcolare determinate proprietà nella regione "quantistica" accoppiando questa parte a una simulazione classica per provare a recuperare alcuni degli effetti a più lungo raggio.
Spero che questo ti aiuti!