Young's moduli of carbon materials investigated by various classical molecular dynamics schemes
经典的碳势和经典的分子动力学被用来计算这些碳基材料的结构和物理性质，其中量子力学方法由于尺寸过大、结构不规则或长时间动力学而失效。最近合成的独立的碳纳米膜（CNM）的分子厚度和宏观横向尺寸以及无定形碳的例子。虽然这样的电势，例如在LAMMPS中实现的，对于几种碳材料如石墨烯产生合理准确的键长和键角，但不清楚它们在机械性质如杨氏模量方面有多准确。我们进行了大规模的经典分子动力学调查的三种碳基材料使用的各种潜力实施LAMMPS以及高度复杂的EDIP潜力的奈杰尔马克斯。我们演示了如何杨氏模量与经典的潜力和实验结果进行比较。由于碳的经典描述必然是近似值，因此不同的实现产生不同的结果并不奇怪。因此，人们应该仔细检查某个势适合于哪些可观测量。我们希望为澄清这一点作出贡献。
2017-07-07 cond-mat.mtrl-sci
Exploring thermal expansion of carbon-based nanosheets by machine-learning interatomic potentials
二维纳米材料的热膨胀研究是一个具有挑战性的理论任务，无论是从头算还是经典的分子动力学模拟。在这方面，虽然从头算分子动力学（AIMD）模拟提供了非常准确的预测，但从计算的角度来看，它们的要求过高。另一方面，经典的分子动力学模拟可以以负担得起的计算成本进行，但没有研究新材料和组合物所需的预测精度。在此，我们探讨了热膨胀的几个碳基纳米片的基础上，机器学习的原子间相互作用势（MLIP）。我们表明，被动训练MLIPs在廉价的AIMD轨迹，使检查复杂的纳米膜在很宽的温度范围内的热膨胀。被动拟合MLIP也可以与出色的精度再现声子色散关系预测的密度泛函理论计算。我们的研究结果强调，被动训练MLIP的基础上设计的方法是计算效率和通用的精确检查的热膨胀的复杂和新颖的材料和组合物使用的分子动力学模拟。
2021-10-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Distinguishing sodium-ion penetration and sustained transport in realistic hard carbon nanostructures
本研究通过机器学习生成硬碳结构并进行分子动力学模拟，揭示了碳密度对钠离子存储和传输的影响，表明微观结构是决定离子持续渗透的关键因素。
2026-10-05 cond-mat.mtrl-sci
Machine-learning based interatomic potential for amorphous carbon
我们引入了高斯近似势（GAP）的液态和无定形元素碳的原子模拟。基于密度泛函理论（DFT）势能面的机器学习表示，这种原子间势使材料模拟具有接近DFT的精度，但计算成本要低得多。我们首先确定的最大精度，任何有限范围的潜力可以实现在碳结构，然后，使用一种新的层次设置的两个，三个，和多体结构描述符，我们构建了一个GAP模型，确实可以达到目标的准确性。潜力产生准确的能量和结构特性在很宽的密度范围内，它也正确地捕捉液相的结构，在与国家的最先进的经验潜力的差异。提出了GAP模型在“类金刚石”四面体无定形碳（ta-C）表面上的示例性应用，包括无定形材料的表面能的估计和高温表面重构（“石墨化”）的模拟。新的原子间相互作用势似乎是有前途的现实和准确的模拟纳米级无定形碳结构。
2016-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Carbon Capture from wet vapors
Howard University（霍华德大学）
研究通过分子动力学模拟揭示了在湿蒸汽条件下石墨烯基材料对CO2的高效吸附机制，表明水簇与基底的相互作用促进CO2吸附，并在低温下表现出更高的CO2捕获能力。
2025-12-15 cond-mat.mtrl-sci
Vibrational properties of sp carbon atomic wires in cluster-assembled carbon films
由单排sp-杂化碳制成的线性链被预测显示出迷人的机械电子性质，与它们在现实碳结构中的终止和稳定有关。目前的工作描述了如何计算的振动性质的累积和多炔碳链允许一个解释的碳炔的功能观察到的簇组装的sp-sp2膜的拉曼光谱。整体情况与空气或氧气暴露引起的sp组分的测量衰减一致。
2010-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Density dependence of thermal conductivity in nanoporous and amorphous carbon with machine-learned molecular dynamics
本研究利用机器学习势驱动的分子动力学模拟，揭示了纳米多孔碳与无定形碳热导率分别呈线性、超线性密度依赖的规律，阐明了杂化结构与结构有序度的调控机制，为热管理材料设计提供理论支撑。
2024-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Structure-property relations of silicon oxycarbides studied using a machine learning interatomic potential
本研究利用机器学习原子间势拟合主动学习DFT数据，生成真实非晶硅氧碳化物结构，揭示刚度对Si-C键的微妙依赖，推翻与自由碳相相关的传统假设。
2024-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Molecular Dynamics Simulation of Sputtering Process of Hydrogen and Graphene Sheets
为了阐明氢与石墨烯片化学溅射中碳氢小分子的生成机理，采用改进的Brenner REBO势进行经典分子动力学模拟。作为模拟模型，我们准备了比我们以前的模型更真实的物理系统，它由160个入射氢原子和10个石墨烯多层膜组成。从目前的工作中，我们发现以下事实：在石墨烯结构的破坏过程中，氢打破碳原子之间的共价键并不起重要作用，但从入射氢到石墨烯的动量转移导致石墨烯结构的破坏。此外，研究发现，石墨烯片的碎片几乎都形成链状分子，生成的碳氢分子由碳链和单个氢原子组成。
2006-08-05 cond-mat.mtrl-sci
The electronic and magnetic structure of p-element (C,N) doped rutile-TiO$_{2}$; A hybrid DFT study
本文研究了金红石型TiO ${_2}$中碳、氮杂质和杂质的电子结构和磁结构。为此，我们执行\textit{ab-initio}计算的48个原子的超原胞采用的VASP代码。为了获得一个真实的描述的电子和磁性结构，交换和相关处理与HSE 06混合泛函。原子位置和晶胞尺寸都是完全松弛的。取代的碳和氮被发现具有2和1 $μ{_B}$的磁矩，分别与反铁磁长程序的趋势。对于间隙位上的C/N，我们发现碳是非磁性的，而氮总是具有1 $μ{_B}$的磁矩。我们发现，这些间隙的位置上的总能量的鞍点。当碳和氮形成C-O和N-O二聚体时，达到稳定的构型，其键长接近CO和NO的双键。这一结果与早期的实验研究相一致，从XPS测量检测到这样的N-O实体。计算了这些二聚体的对称伸缩模的频率，为实验验证提供了一种手段。对于所有的配置调查的C和N状态内发现的TiO ${_2}$间隙。这些新的电子状态进行了讨论，相对于调谐掺杂TiO ${_2}$的应用，
2015-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Is the atomic quadrupole moment of a carbon atom in graphene zero?: The case for a rational definition of the properties of atoms in a molecule
St. Bonaventure University（圣博纳文图尔大学）；University of Pittsburgh（匹兹堡大学）；Queen Mary, University of London（伦敦大学玛丽女王学院）
本文提出理论框架，证明石墨烯中碳原子的原子四极矩本质上为零，并提出更现实的静电模型。
2025-11-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
"Narrow" Graphene Nanoribbons Made Easier by Partial Hydrogenation
大规模制备窄宽度、边缘光滑的石墨烯纳米带是一个挑战。第一性原理研究表明，GNR的氢化反应从GNR的边缘开始，逐渐向中间进行，从而使碳-碳$π$ - $π$键的数目最大化。此外，部分氢化的宽GNRs具有与窄GNRs相似的电子和磁性。因此，对于实际应用而言，没有必要直接生产窄GNR，因为部分氢化可以使宽GNR“更窄”。
2009-05-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Structure Generation and Neural-Network Screening of Hard Carbons to Identify High-Capacity Sodium Storage
University of Exeter（埃克塞特大学）
本研究结合通用机器学习原子间势与RAFFLE框架生成13096个硬碳模型，训练神经网络代理筛选出容量超800 mAh g⁻¹的高容量钠存储候选材料，建立了硬碳微观结构与钠存储性能的关联。
2026-08-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Understanding the nature of "superhard graphite"
大量的实验表明，石墨在冷压缩时转变为一种新的超硬透明的同素异形体。已经为该阶段提出了具有不同拓扑的几种结构。虽然实验数据与这些模型是一致的，但解决这个难题的唯一方法是找到哪种结构在动力学上最容易形成。使用国家的最先进的分子动力学过渡路径采样模拟，我们调查的动力学途径的压力诱导转变的石墨各种超硬候选结构。与迄今为止应用的方法来阐明超硬石墨的性质不同，过渡路径取样实际上模拟了物理上有意义的转变动力学所必需的成核事件。我们证明了成核机制和动力学导致$M$ -碳作为最终产物。$W$ -碳，最初是$M$ -碳的竞争者，被相生长排除。Bct-C $_4$结构预期不会通过冷压缩产生，因为成核可能性较小且形成势垒较高。
2012-07-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Realistic flat-band model based on degenerate $p$-orbitals in two-dimensional ionic materials
虽然人们已经提出了几种设计电子平带的理论模型，但在二维原子晶体中还缺乏明确的实验实现。在这里，我们提出了一个新的和现实的平带模型的基础上的三重简并$p$ -轨道在二维离子材料。我们的理论分析和第一性原理计算表明，所提出的平带可以在碱金属卤化物和金属碳族化合物的1 T层状材料中实现。前者中的一些在理论上被预测为作为层状材料是稳定的（例如，K $_2$ S），并且后者中的一些已经在先前的工作中实验性地制造（例如，Gd $_2$ CCl $_2$）。更有趣的是，平带部分填充在K $_2$ S单层和石墨烯层的异质结构中。实验上制备的Gd $_2$ CCl $_2$单层膜在铁磁态下可实现自旋极化近平带。我们的理论模型与材料预测一起为研究平带和相关的奇异量子相提供了一个现实的平台。
2021-02-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Electron heating and mechanical properties of graphene
本文研究激光辐照石墨烯引起的电子加热如何改变碳-碳键强度并诱导结构屈曲，揭示一种光力耦合效应，可在微米级样品中产生约50纳米挠曲。
2019-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Water modeled as an intermediate element between carbon and silicon
水和硅是化学性质不同但物理性质相同的物质。它们的液体显示最大密度的温度，压缩时增加的扩散率，它们形成四面体晶体和四面体非晶相。水、硅和碳的共同特征是形成四面体配位单元。我们利用这些相似性来开发一个粗粒度的水（mW）模型，它本质上是一个原子与四面体之间的碳和硅。mW模拟水的氢键结构，通过引入一个非键角依赖项，鼓励四面体配置。该模型偏离了水模型中的流行范式：使用长程力（静电）来产生短程（氢键）结构。毫瓦只有短程相互作用，但它再现了能量，密度和结构的液态水，其异常和相变具有可比或更好的精度比最流行的原子模型的水，在不到1%的计算成本。我们的结论是，它不是相互作用的性质，但分子的连接性，决定了水的结构和热力学行为。mW提供的计算时间加速使其特别适用于研究深度过冷水中的缓慢过程，冰成核机制，干湿转变，以及作为生物分子和复杂材料粗粒度模拟的现实水模型。
2008-09-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Influence of Waviness on the Elastic Properties of Aligned Carbon Nanotube Polymer Matrix Nanocomposites
一维纳米材料，特别是定向碳纳米管（A-CNTs），在增强聚合物材料方面的应用前景越来越受到人们的关注。虽然早期的工作已经表明，碳纳米管具有显着的理论性能，最近的工作对齐的碳纳米管聚合物基体纳米复合材料（A-PNC）的机械性能，是数量级低于混合物的规则预测。这种大的差异主要源于增强A-PNC的CNT的形态，其具有通常被称为波度的显著局部曲率，但通常使用过度简化的直柱几何形状来建模。在这里，我们使用能够分析10个具有真实随机形态的$^{5}$波状CNT的模拟框架来研究波纹度对波状A-CNT的柔顺性对A-PNC的有效弹性模量的贡献的影响，并表明波度是负责的数量级\textit{over-prediction}的A-PNC有效模量由现有的理论框架，既忽略了剪切变形机制，并没有正确地考虑CNT形态。计划进行额外的工作，以量化A-PNC的三维形态，并模拟其全弹性本构关系。
2017-12-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
