Numerical Simulation of The Mechanical Properties of Nanoscale Metal Clusters Using The Atomistic-Continuum Mechanics Method
提出了一种基于有限元法的原子连续介质方法（ACM），数值模拟了锂体心立方（BCC）结构纳米尺度的泊松比和杨氏模量效应。Li原子之间的势能由Morse势函数描述[1]。从Morse函数出发，讨论了由于实验晶格常数与硅藻间距之间的Li晶格长度不同而引起的预力效应。此外，纳米尺度的锂团簇的尺寸效应将被介绍。
2007-08-14 cond-mat.mtrl-sci
A Dynamic Atomistic-Continuum Method for the Simulation of Crystalline Materials
本文提出了一种用于模拟晶体材料缺陷和界面动力学的耦合原子-连续介质方法。该方法使用原子模型，如分子动力学附近的缺陷和接口，和连续模型远离缺陷和接口。我们提出了一类新的原子区域和连续区域之间的匹配条件。这些条件确保了原子和连续区之间大尺度信息的准确传递，同时使原子-连续界面处声子的反射最小化。如果我们选择适当的权重函数，它们可以自适应。我们目前的应用位错动力学，二维晶体表面之间的摩擦和断裂动力学。我们比较的耦合方法和详细的原子模型的结果。
2001-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Unified nonlocal rational continuum models developed from discrete atomistic equations
本文基于原子色散关系，提出了一种统一的非局部有理连续谱扩充技术，用于改进某些著名的经典连续谱方程的色散特性。这种类型的丰富可以是有用的，在广泛的力学问题，如本地化的应变和损伤在许多quasibrickly结构，尺寸效应在微尺度弹塑性，和多尺度建模的材料。考虑到连续场变量的泰勒级数变换和离散场变量和连续场变量的行波型解，提出了一种将离散微分表达式转化为精确等价的有理连续导数形式的新方法。考虑晶格细节，发展了一维非近邻相互作用简谐晶格的精确等效连续介质棒表象。在变分框架下利用类似的富集技术，发展了其他有用的高阶方程，即非局部有理Mindlin-Herrmann杆方程和非局部有理Rankshenko梁方程，以探讨它们的非局部性质.这些新的非局部有理连续模型的高频动力学行为的一些分析和数值研究与原子的解决方案，为各自的物理系统的比较。这些丰富的有理连续方程在研究许多纳米机电传感器和器件的高频动力学、声子超材料的动力学以及复合结构中的波传播方面具有重要的用途。
2017-01-05 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic and continuum modeling of non-equilibrium melting of aluminum
在考虑和不考虑电子子系统的情况下，对铝的非平衡熔化进行了MD模拟。在此基础上，提出了一个熔化的连续介质模型，该模型用浓度场和熔化点的大小来描述当前的相态。通过热流分析，导出了熔化区的生长方程。基于热涨落方法建立了熔化点的形核方程。提出了利用MD模拟结果确定模型系数的方法。采用连续介质模型研究了强流电子束能量吸收区铝的非平衡熔化问题。
2015-12-24 cond-mat.mtrl-sci
Contact of Single Asperities with Varying Adhesion: Comparing Continuum Mechanics to Atomistic Simulations
采用原子模拟的方法对纳米尺度下的连续介质接触力学方程进行了验证。通过弯曲晶体或切割晶体或非晶态固体制成的名义上的球形尖端被压入平坦的弹性基底中。法向位移，接触半径，应力分布，摩擦和横向刚度作为一个功能的负载和粘附检查。原子尺度的粗糙度上存在的任何尖端离散原子的结果有深远的影响。接触面积、局部应力和粘附功以2到4倍的系数变化，摩擦力和侧向刚度以数量级变化。对造成这些变化的微观因素进行了讨论。结果也被用来测试方法，分析实验数据与连续介质理论，以确定信息，如接触面积，不能直接测量在纳米级接触。即使数据看起来符合连续统理论，提取的量也可能与其真实值有很大差异。
2006-06-22 cond-mat.mtrl-sci
Seamlessly joining length scales: From atomistic thermal graphs to anisotropic continuum conductivity
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Ohio University（俄亥俄大学）
本文提出SCACS工具包，通过原子级热导率分解构建有限元模型，实现从原子到连续尺度的无缝连接，捕捉各向异性导热特性并保持热力学一致性。
2026-02-24 cond-mat.mtrl-sci
An Atomistic-based Finite Deformation Continuum Membrane Model for Monolayer Transition Metal Dichalcogenides
提出了过渡金属二硫属化物（TMD）单分子膜的有限变形晶体弹性膜模型。单层TMD是具有排列在三个平行表面中的原子的多原子厚的二维（2D）结晶膜。在本公式中，TMD膜的变形配置通过其中间表面的变形图和垂直于中间表面的两个拉伸来表示。基于晶体弹性的运动学规则被用来表达的连续应变的变形键长和键角的TMD。由原子间相互作用势导出了TMD薄膜的连续超弹性应变能。在本构关系中还考虑了两个简单的TMD晶格之间的相对位移。一个光滑的有限元框架，使用B样条数值实现目前的连续膜模型。所提出的模型将纯2D膜（如石墨烯）的基于晶体弹性的膜理论推广到多原子厚的TMD晶体膜。数值结果表明了相对位移和两个正常拉伸的重要性。所提出的基于原子的连续体模型准确地匹配材料模量，复杂的后屈曲变形，和平衡能量预测的纯原子模拟。它还准确地再现了包含数千万个原子的大面积TMD样品的实验结果。
2022-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Transmitting multiple high-frequency waves across length scales using the concurrent atomistic-continuum method
耦合原子-连续介质方法可以描述大的区域和模型的动态材料行为的一个更低的计算成本比传统的原子技术。然而，这些多尺度框架遭受波反射在原子连续界面由于精细尺度和粗尺度模型之间的数值差异。这种反射是非物理的，可能会导致不利的结果，例如原子区域的人工加热。在这项工作中，我们开发了一种技术，允许声子的全谱被纳入到一个周期性的并发原子连续（CAC）框架的粗尺度区域。该方案跟踪在不同的时间步长产生的声子，从而允许多个高频波包之间的原子和连续区域旅行。用这种方法进行的模拟表明，该技术的能力，以保持波的相干性与波矢量的范围，因为它们通过域传播。这项工作具有定义的边界条件的系统的应用程序，并可能被扩展到更复杂的问题，涉及波随机核内的多尺度框架的影响。
2022-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Recent Progress in the Concurrent Atomistic-Continuum (CAC) Method and its Application in Phonon Transport
本文介绍了并行原子连续统（CAC）方法在声子输运的粗粒度空间和时间分辨原子模拟中的最新进展。应用实例，包括热脉冲传播通过晶界和相界面，以及声子和移动位错之间的相互作用，提供证明CAC的能力。模拟结果提供了直观的证据，并揭示了各种现象的基本物理，包括：声子聚焦，波的干扰，位错阻力，界面Kapitza电阻所造成的准弹道声子输运等一种新的方法来量化通量瞬态输运过程中也介绍。
2017-08-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A comparison of atomistic and continuum theoretical approaches to determine electronic properties of GaN/AlN quantum dots
在这项工作中，我们提出了一个比较的多带k. p-模型，有效的键轨道方法，和经验紧束缚模型来计算的电子结构的例子截断金字塔GAN/AlN自组装量子点与锌结构。对于所考虑的系统，我们发现微观模型的结果与8带k. p-形式的结果非常一致，而与之相反的是6+2带k. p-模型，其中导带和价带被假定为去耦的.这表明宽带隙材料GAN和AlN的导带态和价带态之间存在令人惊讶的强耦合。特别注意的是弱自旋轨道耦合的局部化的单粒子波函数的研究结构上的可能影响。
2008-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Stochastic Continuum Models for High--Entropy Alloys with Short-range Order
高熵合金是一类具有优良工程性能的新型材料。大量的实验和第一性原理/原子模拟已经证明，原子级随机性中的短程有序强烈影响HEAs的性质。在本文中，我们推导出随机连续模型的HEAs与短程秩序的原子模型。得到了一个合适的连续极限，使得在从原子相互作用模型到连续方程的过程中，原子能级随机性的均值和方差以及由特征长度描述的短程有序性保持不变.所得到的短程有序的连续介质模型是一个Ornstein-Uhlenbeck（O-U）过程。这验证了基于Zhang等人[Acta Mater.，166（2019），pp. 424--434]，用于具有短程顺序的HEA。我们推导出这样的随机连续模型与短程顺序的弹性HEAs没有缺陷和HEAs位错（线缺陷）。所得到的随机连续模型是基于能量公式，其变化导致随机偏微分方程。
2022-05-15 cond-mat.mtrl-sci
Convergence of a force-based hybrid method for atomistic and continuum models in three dimension
New York University（纽约大学）
研究力基混合方法耦合原子模型与非线性Cauchy-Born弹性模型，证明当晶格参数与变形特征尺度之比趋于零时，该方法二次收敛到原子模型解，适用于三维简单晶格和一般短程原子势。
2011-07-14 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Atomistic Line Graph Neural Network for Improved Materials Property Predictions
图神经网络（GNN）已被证明为原子材料表示和建模提供了实质性的性能改进，与基于机器学习模型相比。虽然大多数现有的GNN模型的原子预测是基于原子距离信息，他们没有明确纳入键角，这是关键的区分许多原子结构。此外，已知许多材料性质对键角的微小变化敏感。我们提出了一个原子线图神经网络（ALIGNN），GNN架构，执行消息传递的原子间键合图和它的线图对应的键角。我们证明，角度信息可以明确和有效地包括在内，从而提高性能的多个原子预测任务。我们ALIGNN模型预测52固态和分子性质可在JARVIS-DFT，材料项目，和QM 9数据库。ALIGNN在原子预测任务上的准确率高达85%，并且模型训练速度更好或相当。
2022-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Neural operator accelerated atomistic to continuum concurrent multiscale simulations of viscoelasticity
National Center for Computational Sciences, Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室计算科学国家中心）；Department of Engineering, University of Cambridge（剑桥大学工程系）
本文提出一种基于神经算子的协同多尺度框架，通过原子模拟与连续有限元分析耦合，实现黏弹性材料的多尺度模拟。神经算子替代直接分子动力学计算，高效预测应力和内部变量。
2026-08-13 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Development of an Optimization-Based Atomistic-to-Continuum Coupling Method
University of Minnesota（明尼苏达大学）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本文提出一种优化的原子到连续耦合方法，扩展至多维场景和任意原子势能，通过数值实验验证了多维耦合方法的最优误差估计。
2013-09-23 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Magnetic Ordering in Moiré Graphene Multilayers from a Continuum Hartree+U Approach
Imperial College London（帝国理工学院）；Università degli Studi di Trieste（的里雅斯特大学）；CNR-IOM–Istituto Officina dei Materiali, National Research Council of Italy（意大利国家研究委员会材料工厂研究所）；Universität Würzburg（维尔茨堡大学）；Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter（马普物质结构与动力学研究所）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
本文通过连续Hartree+U方法研究了莫尔石墨烯多层中的磁序，结合短程Hubbard相互作用和长程Coulomb相互作用，分析了双层和三层层状石墨烯在魔角附近的磁相图。
2025-12-02 cond-mat.mtrl-sci
Core energy and regularization parameters of non-singular continuum theories of dislocations using atomistic simulations
位错核是一个重要的区域，因为它控制着材料的许多重要性质。弹性在芯部破裂，应力、力和能量在位错线处发散。我们考虑三种最常见的方法在离散位错动力学（DDD）模拟，以消除这些奇异性：（1）考虑一个截止参数，（2）传播的Burgers矢量（CAWB理论），和（3）使用梯度弹性。这些方法中的每一种都包括一个额外的长度参数来正则化弹性场。在这篇文章中，我们表明，这些正则化参数可以显着影响DDD模拟的结果。我们使用原子模拟的混合位错，找到的半径和能量的位错核心，并找到正则化参数及其变化的位错特征角的三种方法。我们还考虑了如果选择任意常数作为正则化参数，核能量应该如何添加到模拟代码中。结果表明，在经典弹性力学中，带截断参数的核能可以用一个参数来描述，而其它两种方法则需要两个能量参数（边核能和螺核能）来描述核能随特征角的变化。我们已经表明，没有正则化参数可以选择的CAWB理论或梯度弹性，如果没有核心的能量。
2020-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic-continuum modeling of short laser pulse melting of Si targets
以硅为例，提出了一个模拟超短激光诱导半导体固体熔化过程的原子连续模型。在原子水平上用分子动力学方法研究了瞬态非平衡相变机制的动力学，而在连续介质中考虑了激光吸收、强烈的电子-声子非平衡、快速扩散和光激发自由载流子引起的热传导。我们给出了详细的描述模型，然后将其应用于研究短激光脉冲熔化自支撑Si薄膜的机制。研究了激光诱导晶格压力和温度对熔化动力学的影响。两个竞争的熔化机制，异质性和均匀性，被确定。除了经典的非均相熔化机制之外，材料内部均匀的液相成核对熔化过程有显著的贡献。模拟结果表明，由于晶体的开放金刚石结构，激光产生的内部压应力降低了晶体对均匀熔化的稳定性。因此，后者可以在激光加热后的几微微秒内呈现出巨大的特征。由于模型化的Si材料的负熔化体积，约7.5%，材料在相变时收缩，松弛压缩应力，并且随后的熔化不均匀地进行，直到消耗过量的热能。的阈值通量值，在该值处，液体的均匀成核开始有助于固-液界面的经典非均质传播，被发现从一系列的模拟在不同的激光输入能量密度。在Si的例子中，半导体的激光熔化动力学被发现与具有fcc晶体结构的金属的激光熔化动力学明显不同。
2014-11-16 cond-mat.mtrl-sci
An Adaptive Finite Element Approach to Atomic-Scale Mechanics - The Quasicontinuum Method
混合原子和连续介质方法提供了在更大的长度尺度和更长的时间比直接原子计算进行模拟的材料性能的可能性。准连续方法通过有限元方法的装置将原子模型和连续模型联系起来，有限元方法允许减少原子自由度的全部集合。本文给出了一个完整的描述准连续体方法，特别是参考的方式，该方法可用于模拟晶体与一个以上的单一颗粒。通过对晶界结构和能量的一系列计算，验证了该公式的有效性。然后，该方法被示出在一个步骤的孪晶界的运动，其中的边界运动的临界应力被计算和纳米压痕到一个固体包含一个次表面的晶界，以研究位错与晶界的相互作用。
1997-10-02 cond-mat.mtrl-sci
Modeling the Elastic Energy of Alloys: Potential Pitfalls of Continuum Treatments
在基廷模型和密度泛函计算的背景下，二元合金的弹性能建模时出现的一些问题进行了讨论。Keating模型是基于二元合金中弹性相互作用的原子模型，使用具有物种依赖平衡长度的谐波弹簧。结果表明，应变场的连续极限是合金线弹性力学的常用方程，它们能正确地反映粗晶位移场。另外，还建立了弹性能的连续极限的欧拉-拉格朗日方程将产生相同的应变场方程。然而，对原子模型的弹性能的直接计算表明，弹性能的连续表示在定性和定量上都是不正确的。这是因为它没有考虑原子尺度的成分不均匀性。重要的是，我们还表明，精细混合的合金往往有更多的弹性能量比隔离系统，这是相反的预测由一些连续理论。它还表明，应变薄膜的传统使用的合金系统的有效失配低估了应变能。在某些模型中，这一缺点是通过包括一个弹性贡献的混合焓，其特征在于在连续浓度方面处理。原子模型的直接计算表明，这种方法有严重的困难。结果表明，弹性对混合焓的贡献是各向异性的和尺度相关的。在Si/Ge和Ag/Pt体系的密度泛函理论计算中也发现了这种效应。这项工作表明，它是至关重要的，包括在任何弹性模型的微观安排，以实现甚至定性正确的行为。
2015-11-04 cond-mat.mtrl-sci
Learning Local Equivariant Representations for Large-Scale Atomistic Dynamics
Harvard University（哈佛大学）；Robert Bosch LLC Research and Technology Center（罗伯特·博世有限责任公司研究与技术中心）
同时精确和计算效率高的分子和材料的能量和原子力的参数化是自然科学的长期目标。为了实现这一目标，神经消息传递通过沿着原子图迭代传递消息来描述原子的多体相关性，从而导致了范式转变。然而，这种信息的传播使得并行计算变得困难，并且限制了可以研究的长度尺度。另一方面，严格的基于局部的方法可以扩展到大型系统，但目前无法与消息传递方法所观察到的高精度相匹配。这项工作引入了Allegro，这是一种严格的局部等变深度学习原子间势，同时具有出色的并行计算精度和可扩展性。Allegro使用一系列学习的等变表示的张量积来学习原子坐标的多体函数，但不依赖于消息传递。Allegro在QM 9和修订的MD-17数据集上获得了最先进方法的改进。在QM 9基准测试中，单个张量积层的性能优于现有的深度消息传递神经网络和Transformers。此外，Allegro显示出显着的泛化分布外的数据。基于Allegro的分子动力学模拟与第一性原理计算非常一致地恢复了无定形磷酸盐电解质的结构和动力学性质。最后，我们展示了并行缩放的Allegro与1亿个原子的动力学模拟。
2022-04-11 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.chem-ph
Continuum-atomistic simulation of picosecond laser heating of copper with electron heat capacity from ab initio calculation
在从头计算量子力学（QM）计算的基础上，将得到的电子热容转化为双温模型（TTM）中电子子系统的能量方程。在分子动力学（MD）和TTM耦合模拟中，考虑电子-声子耦合因子，模拟了激光辐照铜膜时从电子子系统到晶格子系统的能量传递.结果表明，QM-MD-TTM一体化模拟与纯MD-TTM耦合模拟在温度和热熔化方面存在差异。QM-MD-TTM一体化模拟系统的成功构建为其他金属材料的激光加热提供了一条通用的途径。
2016-02-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
An analysis of crystal cleavage in the passage from atomistic models to continuum theory
我们研究了单轴拉伸下一般尺度的原子模型的行为，并研究了临界断裂载荷的系统。我们严格证明，在离散到连续极限的最小能量满足一个特定的劈裂法与二次响应小的边界位移，然后由一个尖锐的常数截止超过一些临界值。此外，我们表明，最小的能量是通过均匀的弹性配置在亚临界的情况下，超过临界加载沿特定的晶体超平面的分裂是积极有利的。特别是，我们的结果适用于质量弹簧模型与完整的最近和次最近对相互作用，并提供了限制最小能量和最小配置。
2014-12-04 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.AP
An atomistic-to-continuum analysis of crystal cleavage in a two-dimensional model problem
研究了二维原子质量弹簧系统的临界断裂载荷及其裂纹路径几何。我们严格证明，在离散到连续极限，单轴拉伸下的晶体的最小能量导致一个普遍的解理定律和能量最小化是均匀的弹性变形或配置，完全破裂，不存储弹性能量。超过临界载荷，试样一般沿一个独特的最佳晶体学超平面分裂。然而，对于特定的对称晶体取向，解理可能失败。在这种情况下，得到一个完整的表征可能的限制裂纹的几何形状。
2012-10-12 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.AP
Continuum model for dislocation structures of semicoherent interfaces
为了释放失配的弹性能，异质界面通过形成位错网络而变得半共格。这些微观结构强烈地影响与新材料的发展相关的材料性质。我们发展了一个半相干界面位错结构的连续模型。经典的Frank-Bilby方程控制着半相干界面上的位错结构，但不能确定唯一的解。现有的方法在文献中使用原子模拟的进一步信息，或只考虑特殊情况（位错不超过两个伯格斯矢量），其中弗兰克-比尔比方程有一个唯一的解决方案。在我们的连续介质模型中，半相干界面的位错结构通过最小化平衡位错网络相对于所有可能的Burgers矢量的能量而获得，受Frank-Bilby方程的约束。通过与原子模拟结果的比较，验证了连续介质模型的有效性。
2020-12-17 cond-mat.mtrl-sci
A continuum model for brittle nanowires derived from an atomistic description by $Γ$-convergence
从具有短程相互作用的粒子系统出发，导出了三维空间中不可伸长杆的弯曲、扭转和脆性断裂的连续介质模型。由于粒子的数量趋于无穷大，因此假设棒的厚度与原子间的距离处于同一数量级。在$Γ$ -极限中的断裂能由隐式单元公式表示，该公式涵盖了不同的断裂模式，包括（完全）裂纹、褶皱和扭转裂纹。在特殊情况下，单元公式可以显着简化。我们的方法适用于例如原子系统与Lennard-Jones型电位和陶瓷纳米线的研究的动机。
2022-08-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci math-ph
Coupling of Length Scales and Atomistic Simulation of MEMS Resonators
我们提出了模拟微机电系统（MEMS）的动态和温度相关的行为，利用最近开发的并行代码，使耦合的长度尺度。该模拟中使用的新技术精确地模拟了MEMS机械组件的行为，精确到原子尺度。我们研究了一类MEMS器件的振动行为：由硅和石英制成的微米级谐振器。这里应用的算法和计算途径代表了一个显着偏离通常的有限元方法的基础上连续弹性理论。该方法是使用原子模拟的显着非谐力和大的表面积体积比的区域，或由于缺陷的内部摩擦预计。MEMS的周边区域，这是很好地描述了连续弹性理论，使用有限元模拟的效率。因此，在装置的中心区域，模拟数百万个单独原子的运动，而相对较大的外围区域用有限元建模。这两种技术同时运行，无缝衔接，来回传递信息。这种长度尺度的耦合给出了自然的区域分解，因此代码可以在多处理器工作站和超级计算机上运行。我们提出了新颖的模拟微米级硅和石英振荡器的振动行为。我们的结果与连续体弹性理论的预测作为尺寸的函数进行了对比，并且连续体技术的失败在小尺寸的限制中是清楚的。我们还提取了谐振器的Q值，并研究了相应的耗散过程。
1998-12-14 cond-mat.mtrl-sci
Uncertainty Quantification in Atomistic Modeling of Metals and its Effect on Mesoscale and Continuum Modeling A Review
通过集成计算材料工程（ICME）方法设计下一代合金依赖于多尺度计算机模拟，以在难以进行实验时提供热力学性质。原子方法，如密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）已经成功地预测了以前从未研究过的化合物或相的性质。然而，由于计算和UQ方法的挑战，DFT和MD结果的不确定性量化（UQ）很少报道。在过去的十年中，出现了一些缩小这一差距的研究。这些进展的背景下，热力学模拟和信息交换的中尺度方法，如相场法（PFM）和相图计算（CALPHAD）。UQ的重要性说明使用金属的属性，铝作为一个例子，并突出确定性，频率和贝叶斯方法。常规不确定性量化面临的挑战和解决这些问题的前景。
2020-09-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Automated analysis of continuum fields from atomistic simulations using statistical machine learning
Technical University Bergakademie Freiberg（弗赖贝格工业大学）；Forschungszentrum Juelich GmbH（于利希研究中心）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
分子动力学/静力学的原子模拟经常被用来研究小尺度塑性。当代的模拟是用数千万到数亿个原子进行的，这些配置的快照定期写出以供进一步分析。材料行为的连续尺度本构模型可以受益于原子尺度上的信息，特别是在变形机制、总应变的调节以及单个晶粒中应力和应变场的划分方面。在这项工作中，我们开发了一种方法，使用统计数据挖掘和机器学习算法，自动分析原子模拟中的连续场变量。我们专注于三个重要的场变量：总应变，弹性应变和微旋转。结果表明，单个颗粒的弹性应变呈单峰对数正态分布，而总应变和微旋转场呈多峰分布。用高斯混合模型识别了总应变分布中的峰值，并提出了避免过拟合问题的方法。随后，我们根据晶粒中的变形机制来评估所识别的峰，例如，有助于量化各个变形机制所负责的应变。所有颗粒上分布的总体统计数据是更高尺度模型的重要输入，这最终也有助于定量讨论信息传递到唯象模型的影响。
2022-06-16 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Atomistic-to-Continuum Multiscale Modeling with Long-Range Electrostatic Interactions in Ionic Solids
本文提出了一种研究含缺陷离子晶体的多尺度原子-连续方法。缺陷通常在离子和电子固体中起着核心作用，不仅限制了可靠性，更重要的是使这些材料具有至关重要的功能。实例包括通过带电点缺陷的运动传导电流的固体电解质，以及通过畴壁缺陷的运动显示多功能性的复合氧化物铁电体。因此，了解缺陷的结构及其对电场和机械场的响应非常重要。然而，一个中心障碍是离子固体中的相互作用包括短程原子相互作用以及长程静电相互作用。现有的原子-连续介质多尺度方法，如准连续介质方法，仅适用于原子间的短程相互作用。此外，量子力学到密度泛函模型的经验简化无法捕捉这些材料中感兴趣的关键现象。为了解决这个问题，我们发展了一种多尺度原子方法来粗粒化含缺陷离子晶体中的长程电相互作用。在这些设置中，电荷密度快速变化，但几乎是周期性的。其关键思想是使用的极化密度场作为多尺度调解人，使有效的粗粒化，利用几乎周期性的变化。在远离缺陷的区域，晶体接近完美，极化场作为代理，使我们能够避免考虑电荷变化的细节。我们结合这种方法为远程静电与标准的准连续体方法为短程相互作用，以实现一个有效的多尺度原子连续方法。
2013-10-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
A comparison of finite element and atomistic modelling of fracture
界面的内聚规律是否足以用内聚带模型模拟多晶体断裂？我们研究这个问题，通过比较一个完全原子模拟的硅多晶有限元模拟具有类似的整体几何形状。在有限元模拟中使用的凝聚力的法律原子地测量。我们详细描述了如何将原子晶界断裂模拟的输出转换为内聚区模型所需的分段线性形式。我们讨论了晶界微观参数（界面的截面的选择，相对于彼此的晶粒的平移，和每个晶格取向的切割平面）上的凝聚力的法律和多晶断裂的影响。我们发现，在较低水平的外部应力的原子模拟断裂，表明在原子模拟断裂的开始可能是由不规则的原子结构在外面，内部边缘，角落，和晶粒的交界处占主导地位。因此，单独的界面的内聚特性可能不足以使用连续方法来模拟多晶体的断裂。
2008-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Fast and accurate quasi-atom method for simultaneous atomistic and continuum simulation of solids
Skolkovo Institute of Science and Technology（斯克尔科沃科学与技术研究所）；Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences B. Gruzinskaya str., 10, bld. 1, Moscow, 123242, Russia（俄罗斯科学院地球物理施密特研究所）；School of Computing and Mathematical Sciences（计算与数学科学学院）；University of Leicester（莱斯特大学）
本文提出了一种快速且准确的准原子方法，用于同时进行固体的原子和连续模拟，通过优化准原子相互作用势参数，实现高效计算并验证其在速度和精度上的优势。
2026-02-16 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Atomistic-to-Meso Multi-Scale Data-Driven Graph Surrogate Modeling of Dislocation Glide
从它们在制造过程中诞生起，材料就固有地包含影响多个长度和时间尺度的机械行为的缺陷，包括空位、位错、空隙和裂纹。因此，理解，建模和实时模拟潜在的随机微观结构缺陷的演变是至关重要的多尺度耦合和传播的不确定性的原子最终老化连续介质力学的众多来源。我们开发了一个基于图形的替代模型的位错滑移的位错迁移率的计算。我们将刃型位错建模为随机行走器，在图的相邻节点之间跳跃，遵循泊松随机过程。网络表示作为一个粗粒化的分子动力学模拟，提供位错轨迹的经验计算的跳跃率。通过这种构造，我们恢复了原始的原子迁移率估计，具有显着的计算速度和准确性。此外，潜在的随机过程提供了与原始分子动力学模拟相关的位错迁移率的统计数据，允许跨尺度的材料参数和不确定性的有效传播。
2020-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Stochastic Peierls-Nabarro Model for Dislocations in High Entropy Alloys
高熵合金（HEAs）是由多种元素以近似相等的比例组成的随机固溶体组成的单相晶体。这类新型材料表现出极好的机械性能，例如高强度与其他所需特征的结合。晶体材料的强度与位错的运动有关。在本文中，我们推导出一个随机连续模型的基础上的Peierls-Nabarro框架层间位错的双层HEA从原子模型，结合了原子级的随机性。利用渐近分析和极限定理证明了从原子模型到连续模型的收敛性。连续介质模型中的总能量由两层中的随机弹性能量和解释层间非线性相互作用的随机错配能量组成。所得到的连续模型可以被认为是一个随机推广的经典，确定性Peierls-Nabarro模型的位错核心和相关属性。该推导还验证了Zhang等人（Acta Mater. 166，424-434，2019）。
2020-04-20 cond-mat.mtrl-sci
A three-dimensional atomistic kinetic Monte Carlo study of dynamic solute-interface interaction
建立了一个三维原子动力学蒙特卡罗模型，用于研究可动溶质与迁移界面之间的相互作用。虽然该模型的开发与简化的能量和拓扑描述，它也被构造为捕获，在没有溶质的情况下，Burke-Turnbull模型的界面迁移，并在溶质的存在下，溶质偏析到不同类型的接口网站。参数化模型后，进行模拟，研究平均界面速度和施加的驱动压力之间的关系，为不同的溶质浓度和溶质扩散系数。虽然溶质浓度对溶质阻力压力的影响被认为是与经典的溶质阻力模型相一致，溶质扩散率的影响被发现给任何连续或以前报道的二维原子模型没有捕获的响应。最大拖曳压力对溶质扩散系数的依赖性被观察到，并归因于迁移界面的结构和溶质保持分离到界面的能力之间的耦合。
2013-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure-Aware Deep Learning Bridges Atomistics to Macroscale for Shock-to-Detonation Prediction
Purdue University（普渡大学）
针对含能材料中冲击到爆轰转变的多尺度耦合难题，提出MISTnetX卷积深度神经网络，直接桥接大规模分子动力学模拟与连续介质有限元模型，实现无参数预测完整爆轰转变过程。
2026-05-26 cond-mat.mtrl-sci
LEFM is agnostic to geometrical nonlinearities arising at atomistic crack tips
机械工程、材料科学等各个领域，线弹性断裂力学（LEFM）在连续介质尺度上得到了广泛的应用。LEFM也经常应用于原子尺度。然而，它在这个规模的适用性仍然没有得到很好的研究，大多数研究集中在非线性弹性效应。使用在离散晶格上提供与LEFM最接近匹配的谐波（捕捉弹簧）最近邻势，我们表明原子晶格的离散性质导致能量最小化期间与LEFM位移场的偏差。我们建议，这些偏差可以归因于几何非线性，因为材料没有一个非线性弹性响应之前，键断裂。我们表明，裂纹的进展和临界应力强度因子在增量加载的情况下，是由集体加载区域，并不能确定解析的属性（最大）。最大伸长率持续的力量等）的应力裂纹尖端债券单独。
2022-08-24 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of a Sinclair-type domain decomposition solver for atomistic/continuum coupling
Sinclair及其同事在20世纪70年代提出的“柔性边界条件”方法仍然是模拟孤立的二维晶体缺陷的最流行的方法之一，嵌入在一个有效的无限原子域中。本质上，该方法可以被表征为区域分解方法，该方法在局部非调和问题和全局调和问题之间迭代，其中后者借助于理想晶体的晶格格林函数来求解。这种局部/全局分裂产生了极大的改善收敛速度相关的交替Schwarz方法。在先前的出版物（Hodapp等人，2019年，计算。方法在应用机械工程348），我们已经表明，这种方法也适用于大规模的三维问题，可能涉及数十万个原子，使用快速求和技术，利用低秩性质的渐近晶格格林函数。在这里，我们推广的辛克莱方法有界域和开发的实施使用离散边界元方法来纠正的无穷远场条件的解决方案，从而保留了原来的方法，不需要一个全球性的空间离散化的优势。此外，我们提出了一个详细的收敛性分析，并显示一个一维的问题，该方法是无条件稳定的物理动机的假设。为了进一步提高收敛性能，我们开发了一种加速技术的基础上放松的两个子问题之间的传输条件。线性和非线性问题的数值例子来验证所提出的方法。
2021-03-12 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Atomistic insights into ultrafast SiGe nanoprocessing
提出耦合连续介质求解器与超晶格Kinetic Monte Carlo的多尺度LA框架，逐原子模拟SiGe激光退火的非平衡动力学并经实验验证。
2023-09-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
One-dimensional moving window atomistic framework to model long-time shock wave propagation
我们利用分子动力学（MD）建立了一个长时间移动窗口框架来模拟冲击波在一维原子链中的传播。该域被划分为一个纯原子的“窗口”区域，包含两侧的边界或“连续”区域两端的冲击波。窗口原子的动力学是由经典的MD运动方程，而连续冲击条件施加到连续原子。杂散波反射被删除，采用阻尼带的方法，使用局部应用到连续区域的朗之万恒温器。移动窗口效应是通过在窗口和边界区域添加/移除原子来实现的，因此冲击波阵面无限地聚焦在窗口区域的中心。因此，所需的域的大小是非常小的，使我们能够模拟冲击波传播很长一段时间。我们模拟冲击波通过一个一维链的铜原子使用Lennard-Jones，修改的莫尔斯，或嵌入原子模型（EAM）的原子间的潜力。我们首先进行验证研究，以确保正确实施的恒温器，潜在的功能，阻尼带方法，分别。接下来，我们跟踪传播的冲击波，并将实际的冲击波速度和平均粒子速度与其相应的分析输入值进行比较。从这些比较，我们优化的线性冲击Hugoniot关系给定的“晶格”取向，并比较这些结果在文献中。当纳入线性冲击方程，这些新的Hugoniot参数示出产生一个固定的冲击波阵面。最后，我们进行一维移动窗口模拟的非定常，结构化的冲击波到几纳秒和特征的冲击波阵面的宽度的增加。
2020-05-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Massively parallel atomistic simulation of ultrafast thermal spin dynamics of a permalloy vortex
超快磁化动力学探测磁性材料的最基本属性，探索有关负责磁现象的基本相互作用的问题。热效应对于金属系统的激光诱导动力学是非常重要的，但是对于拓扑磁结构的动力学却知之甚少。在这里，我们应用大规模并行原子自旋动力学模拟研究坡莫合金涡旋的50 fs激光脉冲的响应。我们发现，宏观上的短时间尺度的动力学是无法区分的散装，但强大的边缘自旋波导致一个复杂的时间演化的磁性结构和长寿命的纳秒时间尺度上的振荡。在不久的将来，这种模拟将提供前所未有的洞察力的磁性材料和设备的动态超越连续微磁学的近似。
2019-08-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Mechanically concealed holes
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg（奥托·冯·格里克马格德堡大学）
研究通过调整壳体厚度维持材料刚度，揭示在原子尺度上通过原子操控实现机械隐身的可能性。
2026-03-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.class-ph
Theory-based Benchmarking of the Blended Force-Based Quasicontinuum Method
University of Warwick（华威大学）
提出基于原子和连续介质力混合的耦合方法，通过理论指导混合机制选择，数值实验验证其稳定性与精度优于能量基混合方案。
2013-09-02 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Symmetries of 2-lattices and second order accuracy of the Cauchy--Born Model
University of Minnesota（明尼苏达大学）；University of Warwick（华威大学）
通过将原子和连续运动学以新方式连接，证明了单物种2-晶格的Cauchy-Born模型具有二阶精度，并利用多物种对相互作用模型中的对称性构造了基于位移梯度而非应变梯度的新存储能量密度，同样达到二阶精度。
2012-03-27 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Lossless Multi-Scale Constitutive Elastic Relations with Artificial Intelligence
Max-Planck-Institut für Eisenforschung（马克斯·普朗克钢铁研究所）；Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；DeepMetis
材料的弹性性质来自于它们的电子和原子性质。然而，在这些尺度下完全模拟散装材料是不可行的，因此通常使用均匀连续描述。到目前为止，在这两个尺度之间的材料的弹性响应的本构描述的无缝和无损的过渡一直难以捉摸。在这里，我们将展示如何通过使用人工智能（AI）来克服这个问题。卷积神经网络（CNN）模型的训练，通过采取的纳米多孔材料的结构图像作为输入和相应的弹性张量，从分子静力学（MS）计算，作为输出。通过原子数据的训练，CNN模型捕获了材料弹性特性的尺寸和孔隙依赖性，在物理方面，这可能源于表面和非局部效应。在从原子论到经典连续统理论的升级过程中，这种效应常常被忽略。为了证明训练的CNN模型的准确性和效率，将配备有CNN作为本构律的弹性变形纳米多孔梁的基于有限元方法（FEM）的结果与通过全原子模拟的结果进行比较。对于具有尺寸和表面效应的系统，原子模拟和FEM-AI组合之间的良好一致性为此类问题建立了一种新的无损尺度桥接方法。训练的CNN模型在孔隙率高达90%的情况下偏离原子结果9.6%，但它比MS计算快约230倍，并且不需要在不同尺度之间改变模拟方法。CNN评估的效率以及重要原子效应的保留使得训练的模型成为用于纳米多孔材料的宏观模拟和逆问题的求解的有效原子信息本构模型。
2021-08-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Large-scale atomistic simulations demonstrate dominant alloy disorder effects in GaBi$_x$As$_{1-x}$/GaAs multiple quantum wells
铋化物半导体材料和异质结构被认为是设计和实现光子、热电、光伏和自旋电子器件的有希望的候选材料。本文对强耦合GaBi $_x$ As $_{1-x}$ /GaAs多量子阱（MQW）结构的电学和光学性质进行了详细的理论研究。基于一套系统的大尺度原子紧束缚计算，我们的结果表明，合金成分的原子尺度波动的影响比阱间耦合效应更强，并在多量子阱结构的电子和光学性质中起着重要的作用。与量子阱几何参数无关，合金无序导致载流子的强约束，空穴能量的大加宽，以及基态跃迁波长的红移。偏振分辨的光学跃迁强度表现出显着的效果的混乱，其中的非均匀加宽可以超过一个数量级的多量子阱，相比之下，约三个单量子阱的因素。合金无序效应的强烈影响持续存在时，通常预期在现实的实验环境中的MQW的大小和组成的小的变化被认为是。所呈现的结果突出了连续方法的有限范围，并强调需要大规模的原子方法来设计具有基于bismide材料的新特性的定制功能的设备。
2018-03-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Upscaling from ab initio atomistic simulations to electrode scale: The case of manganese hexacyanoferrate, a cathode material for Na-ion batteries
Univ. Grenoble Alpes, CEA, Liten, DEHT（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国原子能和替代能源委员会，技术研究所，热力学和氢部门）；Univ. Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble INP, IRIG, SyMMES（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国原子能和替代能源委员会，法国国家科学研究中心，格勒诺布尔理工学院，研究与创新综合研究所，分子相互作用与材料模拟实验室）
提出一种可推广的跨尺度计算框架，通过主动学习策略训练矩张量势，结合混合巨正则蒙特卡洛-分子动力学采样，从原子尺度预测钠锰六氰合铁酸盐的扩散、相变和电极性能，并输入伪二维相场模型实现连续尺度模拟。
2026-05-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
