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LAMMPS模拟大直径碳管的塌缩过程

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发表于 2012-5-30 22:18:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 guozhengrong 于 2013-4-15 19:37 编辑
这几天一直在学习摸索lammps。忽然心血来潮,想想把导师几年前的两个工作用lammps实现也许会很有趣。这两个工作在我看来都很经典,第一个工作零八年发表在了Physical Review Letters,第二个工作一零年发表在了nano Letters。这两个工作有很高的相关性,可以把后一个工作看成第一个的后续。第一个工作发表时,我还没到导师的课题组。第二个工作我有一定程度的参与,对细节也比较了解。

这两个课题研究的内容是大直径碳纳米管的双稳态转化过程。第一个是大直径碳管塌缩过程,第二个是热驱动的逆向恢复。原始的计算都是用一个叫brenner软件包模拟的,这个代码的计算速度和有限的势能类型都造成了限制。
与之相比,
lammps当然有很大优势,我看到很多跟随工作研究的都是塌缩过程和其他物质作用,其中有一些非常有趣的结果。用lammps下把这个结果重复出来,也许能接着做一些工作。经过一番试验,终于成功了,分享出来,供大家参考。
下面分别介绍两个工作。


大直径的碳管存在两个稳定状态;
一个是碳管的正常状态,就是平常的管状的卷曲石墨片。另一个是由于管壁范德华作用导致的坍缩状态,形状类似消防中用到的扁下去的软管。碳管结构如附图。两个稳定态之间有一个的势垒,所以碳管不会自己从管状态过渡到坍缩态。但是如果把碳管一端用外力压缩至坍缩状态,(如图用两个石墨片压缩),它的踏缩区域就会扩张,直到使得整个碳管都坍缩下去。这个连续的塌缩过程很类似多米诺过程。文章发表时名字也是“Dominoes in Carbon nanotubes ”
【1】
。下
面是lammps的in
文件:
processors 1 1 4
units      metal
boundary s s s
lattice fcc 1.0
timestep 0.001
atom_style  atomic
read_data  cnt.data  # 碳管的手性:(32,32),在一端放平行的上下两个石磨片,用来引入外力压缩。
pair_style airebo 3.0   #势能用的是经典的brenner(airebo-2000),但和论文中参数稍有不同,对计算的定量等有一定的影响,但不影响定性的关系。
pair_coeff * *CH.airebo C C C
neighbor  2.0 bin
neigh_modify  delay 10
group cnt type 1 #碳管(32,32)
group up type 2 #靠上面的石墨片
group do type 3 #靠下面的石墨片
thermo    1
dump      1 all atom 100 cnt.lammpstrj
velocity cnt create 100.0 4928459 rot yes dist gaussian  # 赋予每个原子随机速度,给一定初始温度
fix  1 cnt momentum 1 linear 1 1 1  # 保持碳管整体不动
fix  2 up move linear 0. -4.16 0.    # 上面的石磨向下运动
fix  3 do move linear 0. 4.16 0.   # 下面的向上动,完全对称
fix  4 cnt nvt temp 100. 100. 0.1   # 温度100K
fix  5 up nve
fix  6 do nve
run  5000
unfix 2
unfix 3
unfix 4
unfix 5
unfix 6
velocity cnt create 10.0 4928459 rot yes dist gaussian
fix  4 cnt nvt temp 100. 100. 0.01
run 100000  #done !复制代码
碳管手性为(32,32),一端用两个石墨片压缩。预先计算好需要压缩距离,塌缩下去就停止。然后把加载去掉,开始另一个run。就可以看到塌缩扩展的过程。附件中的dominoes有计算的data文件和in文件,只需把airebo的是函数考到文件夹,就可以计算了。




这样的塌缩过程是一次性的,
接下来的问题是能用什么样的方法恢复,只有反复可用才可能在器件上有应用价值。有一个方法非常简单,只要给碳管加热,当温度升高超过一定值时,刚才坍缩下去的碳管就能沿着相反的路径重新鼓起来【2】。这样就可以实现重复,可利用两个过程构成完整的热循环,把热能转化为机械能。这里模拟时,利用的初始结构是一半处于坍缩,一半处于圆形的碳管。我们可以把系统放在多个温度下模拟,看最终是进一步坍缩,还是结构涨开成管状,好确定转变的温度。in
文件如下:
units      metal
boundary s s s
lattice fcc 1.0
timestep 0.001
atom_style  atomic
read_data  cnt.data   #(32,32)一半塌缩的初始结构。
pair_style airebo 3.0
pair_coeff * *CH.airebo C
neighbor  2.0 bin
neigh_modify  delay 10
groupcnt id  129 25984  #用来固定两边边缘原子
thermo      1
dump      1 all atom 100 cnt.lammpstrj
velocity cnt create 500.0 4928459 rot yes dist gaussian
fix  4 cnt nvt temp 500. 500. 0.01 #温度
run  100000复制代码
模拟过程中温度设置为500K,可以观察到碳管涨开成圆形过程。另外算了几个温度,在低温下100K, 碳管会进一步塌缩。这个决定坍缩还是张开的温度在150K左右,和论文中原始的计算有一定的差距,主要的原因的势能参数不同,这个计算对参数很敏感。
最近别人的实验研究进一步证实了这个温度会导致涨开的现象,但奇怪没有给出定量的关系(我觉得直径和温度都很好计算,但实验中也许有想象不到的难度),所以也就无从比较,给出合理的势能参数。作为理论性质的研究,我觉得这里选取一个常用的合理的势能参数就行。
文中文献:
[1]Dominoes in Carbon Nanotubes, http://prl.aps.org/abstract/PRL/v101/i17/e175501
[2]Temperature-Induced Reversible Dominoes in Carbon Nanotubes, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl101623c
附件中有两个计算的
in
文件和
data
文件,名为dominoes是第一个工作,tem-recharge是第二个工作。计算时还需要把势能文件
CH.airebo
考入文件夹。
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发表于 2012-5-31 10:09:00 | 显示全部楼层
过来支持一下!
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非常不错。
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发表于 2012-5-31 21:56:00 | 显示全部楼层
高手啊希望早日达到高人的境界
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发表于 2012-6-1 10:09:00 | 显示全部楼层
顶一个,学习了,我现在学习石墨烯的拉伸,感觉还是有一些问题,不知道楼主有没有做过拉伸方面的工作,想请教一下
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 楼主| 发表于 2012-6-1 11:47:00 | 显示全部楼层
5# wuzhihua
没做过拉伸
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发表于 2012-6-1 14:43:00 | 显示全部楼层
看过楼主说的这两篇文章。 一个被称为纳米gun。你们张老师真是年轻有为啊。 希望能向楼主请教啊!有没有联系方式啊。
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 楼主| 发表于 2012-6-1 15:14:00 | 显示全部楼层
7# cyberspace
对,我的邮件chumanner@gmail.com
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发表于 2012-6-6 10:46:00 | 显示全部楼层
好好学习一下
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发表于 2012-6-6 14:35:00 | 显示全部楼层
张老师是大牛!人也相当nice,支持一下!
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