[发明专利]一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法

说明书

一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法，属于石墨烯的分子动力学模拟领域。本发明的目的是为了解决大规模石墨烯结构的高效快速准确计算问题，所述方法为：调整原Tersoff势函数参数；探索一级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数；探索二级粗粒化石墨烯模型Tersoff势函数。该计算方法参数选取简单、计算速度快、计算精度高，可以解决大型石墨烯结构的计算问题。本发明的方法参数选取思路简单，无需其他复杂的理论知识与数学推导，符合大型工程计算的要求。该粗粒化方法可以实现多级粗粒化模拟计算，对于具有对称结构的石墨烯材料而言通过选取合适的势函数参数，可以极大地减少计算成本，优化效率可以不断升高。

技术领域

本发明属于氧化石墨烯计算领域，具体涉及一种基于Tersoff力场的石墨烯多级粗粒化方法。

背景技术

石墨烯在2004年被Novoselov等人在实验室成功分离出来，是目前人们已知的最坚硬的纳米材料。石墨烯中的每一个碳原子都伸出三条键与周围的3个原子以σ共价键相连，整体呈现出蜂窝状结构。所有碳原子未参与杂化的p轨道整体形成一个大π键，这为石墨烯赋予了独特的电学特性。现有研究表明，石墨烯的理论比表面积可达2630m²g^-1，本征电子迁移率可达200000cm²v^-1s^-1，杨氏模量可达1TPa，还具有优异的导热性3000-5000Wm^-1K^-1，高达97.7％的光学透明度。由于其独特的力学、电学性能，石墨烯材料被应用于各个领域中。除了实际制备，石墨烯也成为分子模拟算法的主要研究对象。对于大规模分子系统，现已开发出粗粒化算法来优化计算过程。粗粒化算法是一种针对大型、复杂结构设计的节约计算成本提高计算效率的算法。在粗粒化算法中，重复的基团或结构可以用一个粗粒子表示，通过定义粗粒子之间的键长、键角、二面角以及非键范德华作用，就可以得到适用于该粗粒模型的粗粒化函数，主要应用于化学、生物、聚合物等领域中。

Chiu等人提出了一种基于多极展开法的富勒烯粗粒度分子模拟方法，该方法构建了一种近似于原子间相互作用的可转移的统一原子势，辅以经验力场和实验数据与从头算电子结构得到相关参数。他们采用这种函数模拟了富勒烯的缩合机理，与全原子分子动力学模拟结果非常吻合。Gu等人建立了一种新的基于梁单元的粗粒度模型，有效地研究了具有所有边界夹紧支撑的超大石墨烯碳纳米管(SGCNT)网络系统的力学行为。通过所提出的粗粒度模型，得到了不同直径和长度的单壁碳纳米管(SWCNTs)构成的SGCNT网络的固有频率和振型。但是上述对于粗粒化力场参数选择的方法均过于复杂，对力场参数的推导与选取没有有效地与结构本身特点相结合。

为了实现对大规模碳材料系统的高速计算问题，现在普遍采用借助能量守恒或从头算依据的粗粒化算法，从而简化计算量提高运算速度。但是这些方法计算过程十分复杂，需要借助量数学退单完成计算，因此从操作时间来看并没有真正实现优化计算节省时间的目的。

Ruiz等人建立了一种保留石墨烯六元环网状结构和手性特性的粗粒化力场，他们根据粗粒子之间键、键角、二面角和范德华作用与石墨烯宏观力学性质之间的关系完善了粗粒化力场的各项参数。该力场参数应用于多层石墨烯搭接拔出模型具有很好的精确度。Shang等人根据Tersoff势的函数形式提出了一种新的粗粒化势函数，根据几何关系确定Tersoff势函数中的参数变化规律并进行校正。使用该粗粒化势函数对石墨烯气凝胶的验证计算中发现，石墨烯气凝胶的结合处在能量弛豫过程中自动形成化学键，同时石墨烯气凝胶的压缩和回复试验也成功复现了石墨烯气凝胶的高弹性。粗粒化算法参数的选取虽然降低了复杂程度，但是只能实现对结构的一次简化，即优化效率并不高。

综上所述，如何用准确、简易的算法多次提高分子系统的计算效率最大程度上节省计算资源，对于系统地模拟分析碳材料结构体系十分重要，而准确高速的模拟结果对于碳材料未来的发展应用也具有及其重要的意义。

发明内容