lammps-simulation

LAMMPS 分子动力学模拟

你正在这台工作站上执行 LAMMPS 分子动力学模拟。

关键：自行查找参数

你必须自行查找力场参数。这里不会提供这些参数。

如何查找力场参数

步骤 1：确定所需信息

• 什么材料？（氩、水、铜等）
• 要研究什么性质？（扩散、结构、热导率）
• 什么条件？（温度、压力）

步骤 2：检索文献

Good search queries:
- "[material] lennard-jones parameters molecular dynamics"
- "[material] force field molecular dynamics"
- "[material] interatomic potential parameters"
- "[water model] parameters" (for TIP3P, TIP4P, SPC/E, etc.)
- "[metal] EAM potential"

步骤 3：查找权威来源

材料	代表性论文	关键数值
液态氩	Rahman 1964，Phys. Rev. 136，A405	ε/kB=119.8 K，σ=3.405 Å
TIP4P 水	Jorgensen 1983，J. Chem. Phys. 79，926	参见论文表 I
TIP3P 水	Jorgensen 1983（同一篇论文）	ε=0.1521 kcal/mol，σ=3.1507 Å
SPC/E 水	Berendsen 1987，J. Phys. Chem. 91，6269	qO=-0.8476e，ε=0.1553 kcal/mol

步骤 4：必要时下载补充材料 使用 Playwright 或 WebFetch 获取包含参数表的 SI。

步骤 5：转换单位

kJ/mol → kcal/mol: divide by 4.184
eV → kcal/mol: multiply by 23.06
K → kcal/mol: multiply by 0.001987 (kB)

步骤 6：在输入文件中注明来源

# Lennard-Jones parameters for liquid argon
# Source: Rahman, Phys. Rev. 136, A405 (1964)
# ε/kB = 119.8 K = 0.238 kcal/mol, σ = 3.405 Å
pair_coeff 1 1 0.238 3.405

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二进制文件位置

LAMMPS 通过环境变量配置（在 .claude/settings.json 或 shell 中设置）：

# From environment variable
LMP="${LMP:-lmp}"  # Falls back to 'lmp' in PATH

# Or check your config
echo $LMP

执行命令

CPU：

$LMP -in input.lmp

GPU（用于大型系统）：

$LMP -sf gpu -pk gpu 1 neigh yes -in input.lmp

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完整工作流（Agent 式）

示例：液态氩扩散

仅给出：“计算液态氩的自扩散系数”

你要做：

1. 检索文献，查找氩的 MD 参数

   • 找到 Rahman 1964 这篇代表性论文
   • 提取：ε/kB = 119.8 K，σ = 3.405 Å
   • 记录条件：T = 94.4 K（三相点），ρ = 1.374 g/cm³

2. 转换参数

   • ε = 119.8 K × 0.001987 kcal/(mol·K) = 0.238 kcal/mol

3. 计算系统大小

   • N = 864 个原子（Rahman 采用的数量，或选用 256–500 个以加快计算）
   • 根据密度计算盒子尺寸：L = (N × M / (ρ × Nₐ))^(1/3)

4. 创建包含引用的输入文件

   # Liquid Argon MD - Self-diffusion calculation
   # Parameters from Rahman, Phys. Rev. 136, A405 (1964)
   
   units           real
   atom_style      atomic
   boundary        p p p
   
   # Create FCC lattice, will melt to liquid
   lattice         fcc 5.26   # ~1.374 g/cm³
   region          box block 0 6 0 6 0 6
   create_box      1 box
   create_atoms    1 box
   mass            1 39.948   # Argon
   
   # LJ potential - Rahman 1964 parameters
   pair_style      lj/cut 10.0
   pair_coeff      1 1 0.238 3.405  # ε=0.238 kcal/mol, σ=3.405 Å
   
   # Initialize velocities at target temperature
   velocity        all create 94.4 12345
   
   # Equilibration
   fix             1 all nvt temp 94.4 94.4 100.0
   timestep        2.0
   thermo          100
   run             10000
   
   # Production with trajectory for MSD
   reset_timestep  0
   dump            1 all custom 100 trajectory.lammpstrj id type x y z
   run             50000
   

5. 运行模拟

   $LMP -in input.lmp
   

6. 分析 MSD 并提取 D

   • 使用 LAMMPS 的 compute msd，或对轨迹进行后处理
   • D = lim(t→∞) MSD(t) / (6t)

7. 与文献结果比较

   • Rahman 1964：D ≈ 2.43 × 10⁻⁵ cm²/s
   • 你的结果应在约 10% 的误差范围内

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常见 pair 样式及适用场景

Pair 样式	适用对象	备注
lj/cut	惰性气体、简单流体	需要从文献中查找 ε、σ
lj/cut/coul/long	带电荷的分子系统	与 kspace 配合使用
eam	金属	从文献中下载 .eam 文件
tersoff	共价材料（Si、C 等）	使用已发表的参数文件
reaxff	反应系统	需要力场文件

查找金属的 EAM 势

1. 搜索：“[metal] EAM potential LAMMPS”
2. 查看 NIST Interatomic Potentials Repository：https://www.ctcms.nist.gov/potentials/
3. 下载 .eam.alloy 或 .eam.fs 文件
4. 在输入文件中引用：

   pair_style eam/alloy
   pair_coeff * * Cu_Zhou04.eam.alloy Cu
   

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输入文件结构

1. 单位和样式——大多数分子系统使用 units real
2. 结构——read_data，或使用 lattice/create_atoms 创建
3. 力场——pair_style 和 pair_coeff（由你自行查找）
4. 动力学——fix nvt/npt/nve、timestep
5. 输出——thermo、dump
6. 运行——minimize 或 run

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常见问题及解决方法

1. “Unknown pair style”——该样式未编译进程序。运行 $LMP -h 检查可用样式。
2. “Bond atom missing”——数据文件中的拓扑错误
3. “Out of range atoms”——时间步长过大或参数不正确
4. 温度/能量错误——检查单位是否一致（real、metal 或 lj）

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性质计算

扩散系数

compute         msd all msd
fix             msd_out all ave/time 100 1 100 c_msd[4] file msd.dat

然后：D = MSD 随 t 变化曲线的斜率 / 6

径向分布函数

compute         rdf all rdf 100
fix             rdf_out all ave/time 100 1 100 c_rdf[*] file rdf.dat mode vector

温度/压力

默认已包含在 thermo 输出中。

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核心原则

不要使用占位参数。 每一行 pair_coeff 都应在注释中注明出处。如果找不到参数，请继续深入搜索，或说明文献中没有相关参数。