Tensor-involved peridynamics: A unified framework for isotropic and anisotropic materials
本文提出张量相关的近场动力学统一框架，通过将弹性张量纳入微模量函数扩展线性键基模型，解决了各向异性材料的稳定性问题，并验证了其在裂纹扩展预测中的准确性与优越性。
2024-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
The computational framework for continuum-kinematics-inspired peridynamics
周波理论（PD）是一种非局部连续介质形式。PD的原始版本仅限于基于键的相互作用。基于键的PD是几何精确的，其运动学类似于经典连续介质力学（CCM）。然而，它不能正确地捕捉泊松效应。这个缺点通过基于状态的PD解决，但是运动学没有被准确地保留。连续运动学启发的周期运动学（CPD）提供了一个几何上精确的框架，其基本的运动学与CCM相吻合，并正确地捕捉泊松效应。在CPD中，人们区分一个、两个和三个邻居的相互作用。单邻相互作用等价于原始PD形式主义的基于键的相互作用。然而，两个和三个邻居的相互作用是从根本上不同的状态为基础的相互作用的连续运动学的基本要素被精确地保存。这方面的贡献的目的是阐述计算方面的持续专业发展，并提出详细的推导，是必不可少的，其实施。通过一系列的数值例子阐明了计算CPD的主要特点。这些问题包括大变形的三维问题。所提出的策略是强大的，牛顿-Raphson计划的收敛速度的二次观察。
2020-04-25 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
A data-driven peridynamic continuum model for upscaling molecular dynamics
Lehigh University（利哈伊大学）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
非局部模型，包括周波模型，经常使用在定义中嵌入长度尺度的积分算子。然而，这些算子中的被积函数很难从通常可用于给定物理系统的数据中定义，例如实验室机械性能测试。相比之下，分子动力学（MD）不需要这些被积函数，但它在长度和时间尺度上受到计算限制。为了结合这两种方法的优势，并获得一个粗粒度的，均匀的连续模型，有效地和准确地捕捉材料的行为，我们提出了一个学习框架，从MD数据中提取一个最佳的线性周向固体（LPS）模型作为MD位移的替代。为了最大限度地提高学习模型的准确性，我们允许周波影响函数部分为负，同时保持所得模型的适定性。为了实现这一目标，我们提供了足够的适定性条件与符号变化的影响函数的离散化LPS模型，并开发了一个约束优化算法，最大限度地减少方程残差，同时执行这样的可解性条件。这个框架保证了生成的模型在数学上是适定性的，物理上是一致的，并且它可以很好地推广到与训练过程中使用的设置不同的设置。我们说明了所提出的方法的有效性与单层石墨烯的几个数值测试。我们的二维测试表明，所提出的算法的鲁棒性验证数据集，包括热噪声，不同的域形状和外部负载，和离散化，大大不同于用于训练。
2021-08-04 cond-mat.mtrl-sci cs.LG math.OC
From Connectivity to Rupture: A Coarse-Grained Stochastic Network Dynamics Approach to Polymer Network Mechanics
Stanford University（斯坦福大学）
本文提出了一种粗粒化随机网络动力学方法，用于研究聚合物网络的变形与破裂机制，展示了其在计算效率和物理解释上的优势。
2026-02-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mapping atomistic to coarse-grained polymer models using automatic simplex optimization to fit structural properties
我们开发了聚（乙烯醇）和聚（丙烯酸）低聚物的粗粒力场。在这两种情况下，一个单体被映射到一个粗粒珠。新的力场被设计成与这些聚合物的原子模拟得到的各种径向分布函数等结构特性相匹配。因此，以考虑尽可能多的原子信息的方式构建映射。在技术方面，我们的方法包括一个单纯形算法，用于自动优化非粘结参数以及粘结参数。除了它们相似的构象（仅官能侧基不同），聚（丙烯酸）被选择为在水溶液中，而不是聚（乙烯醇）熔体。对于聚乙烯醇来说，非优化的键角势与特殊的、优化的非键势结合起来就足够了。这里不需要施加扭转电势。对于聚（丙烯酸），我们表明，径向分布函数的每个峰通常是由一些特定的模型参数（S）。键角参数的优化是必不可少的。粗粒力场再现了原子模型的回转半径。作为第一个应用程序，我们使用力场来模拟较长的链，并比较流体动力学半径与实验数据。
2000-08-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Unstable Growth and Coarsening in Molecular-Beam Epitaxy
讨论了生长膜上三维岛的粗化动力学。本文假定平面初始不稳定性的起源是吸附原子扩散的Ehrlich-Schwoebel阶边势垒。粗化的两种机制被确定为：（i）表面扩散驱动的不均匀分布的键能，和（ii）墩聚结驱动的随机沉积。在每种情况下，粗化时间的半定量估计。当表面斜率饱和时，得到了一个渐近动力学指数$z=4$。
1998-08-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Systematic coarse-graining of the dynamics of entangled polymer melts: the road from chemistry to rheology
为了优化缠结聚合物材料的加工和设计，重要的是在聚合物的详细分子组成和宏观熔体的粘弹性之间建立严格的联系。我们回顾当前和过去的计算机模拟技术，并严格评估他们的能力，提供这样的化学和流变学之间的联系。我们区分两类粗粒化水平，我们称之为粗粒分子动力学（CGMD）和粗粒随机动力学（CGSD）。在CGMD中，粗粒珠仍然相对较硬，因此自动防止键交叉。这也意味着可以聚集在一起的原子数量的上限，因此可以研究的最长链长度。为了达到更高程度的粗粒化，在CGSD中，更多的原子聚集在一起，导致相对较软的珠子。在这种情况下，摩擦力和随机力主导着相互作用，必须采取措施防止键交叉。我们还审查了替代方法，利用高分子动力学的管模型，通过原始路径分析和原始链网络的模拟获得的纠缠特性。最后，我们审查超粗粒的方法，其中整个聚合物是由一个单一的粒子，并评论的方式，包括记忆效应和瞬态力。
2011-03-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Coarse-Grained Molecular Dynamics Modeling of A Branched Polyetherimide
开发了一种粗粒度模型以允许对衍生自两种主链单体[4，4 '-双酚A二酐（BPADA）和间苯二胺（MPD）]、链终止剂[邻苯二甲酸酐（PA）]和支化剂[三[4-（4-氨基苯氧基）苯基]乙烷（TAPE）]的支化聚醚酰亚胺进行大规模分子动力学（MD）模拟。首先建立了支化聚醚酰亚胺的原子模型。一个系统的协议的基础上化学告知分组的原子，推导键和角度的相互作用，通过直接玻尔兹曼反演，和参数化的非键的相互作用的潜在的平均力（PMF）计算通过气相MD模拟的原子组对，用于构建粗粒度的模型。一个六对几何，一个原子组在中心和其他原子组的六个副本放置在NaCl结构的中心组周围，已被证明显着加快PMF计算和部分捕获的PMF的多体方面。此外，我们提出了一个修正项的PMFs，可以使所得到的粗粒度模型可转移的温度明智的，通过使该模型捕捉的聚合物的热膨胀属性。粗粒模型已被应用于探索支化聚醚酰亚胺的机械，结构和流变性能。
2021-01-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Synthetic design of force-responsive hydrogels with ring-forming catch bonds
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本文提出了一种基于可逆环形形成聚合物的合成框架，用于设计具有力响应特性的动态水凝胶，展示了其在机械适应性材料中的应用潜力。
2026-03-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
A coarse-grained deep neural network model for liquid water
我们介绍了一种用于液态水的粗粒度深度神经网络模型（CG-DNN），该模型利用50个旋转和平移不变坐标，并专门针对约30，000种散装水配置的能量进行训练。我们的CG-DNN势准确地预测了水的能量和分子力;在0.9 meV/分子和54 meV/埃的参考（粗粒键序势）模型内。CG-DNN水模型还提供了对液态水的几种结构、热力学和温度相关性质的良好预测，其值接近于从参考模型获得的值。更重要的是，CG-DNN捕获了实验中观察到的众所周知的液态水密度异常。我们的工作为一个方案奠定了基础，在该方案中，可以利用现有的经验水模型来开发完全灵活的神经网络框架，该框架随后可以针对来自高保真但昂贵的超越DFT计算的稀疏数据进行训练。
2019-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Martini coarse-grained model for clay-polymer nanocomposites
我们已经开发了一个粗粒（CG）模型的聚合物-粘土系统组成的有机改性蒙脱土纳米粘土的纳米粒子按照MARTINI力场。利用粘土颗粒的力学性质和裂解自由能分别表征了有机改性蒙脱土（oMMT）粘土颗粒的键合和非键合相互作用参数，其中钠离子被四甲基铵（TMA）离子取代。力学性能由应力-应变曲线的斜率确定，解理自由能通过允许对应于缓慢平衡解理过程的完全表面重构来确定。使用对oMMT裂解能的个体分散和极性贡献来确定CG oMMT片的适当MARTINI珠类型。开发的MARTINIFF参数的TMA-MMT-聚合物系统的自洽性进行了验证，通过比较估计选择的结构，热力学和动力学性质得到的全原子模拟与粗粒度的模拟。我们已经确定了粘土颗粒对三种聚合物熔体（聚乙烯，聚丙烯和聚苯乙烯）在两个温度下的性能的影响，以建立开发的参数的可转移性。我们还表明，粘土-聚合物相互作用的影响，在这种纳米复合材料系统的结构-性能关系被罗森菲尔德的过剩熵标度。
2019-07-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Systematic Coarse-graining of Epoxy Resins with Machine Learning-Informed Energy Renormalization
热固性聚合物的预测性分子建模中的一个持续挑战是以高计算效率捕获化学组成和交联度（DC）对动态和机械性能的影响。将能量重整化方法与高斯过程代理模型相结合，建立了一种新的分子动力学模拟粗粒化方法。这允许机器学习告知DC相关CG力场参数的功能校准。以多功能环氧树脂组成的双酚A二缩水甘油醚与固化剂的4，4-二氨基二环己基甲烷或聚氧丙烯二胺，我们证明了良好的协议之间的所有原子和CG预测密度，德拜-沃勒因子，杨氏模量和屈服应力在任何DC。我们进一步介绍了一个代理模型，使简化的功能形式的14个非保税校准参数量化的候选集的高维和灵活的校准功能的不确定性。建立的框架提供了一个有效的方法化学特定的，大规模的环氧树脂的动力学和力学的调查。
2021-10-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Network evolution controlling strain-induced damage and self-healing of elastomers with dynamic bonds
本研究利用CGMD模拟揭示动态聚合物网络中最短路径演化与宏观损伤、松弛及自修复行为的联系，并提出最短路径与应力、应变相互作用的经验规则。
2024-01-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Interpretation of the vibrational spectra of glassy polymers using coarse-grained simulations
基于经典的Kremer-Grest珠-弹簧模型，对聚合物玻璃的结构和振动态密度（VDOS）进行了数值模拟。我们专注于链长和弯曲刚度的作用，后者被设置通过施加沿链骨架的三体角电位。在增加链长度和弯曲刚度时，结构重组导致材料的体积膨胀和内部应力的积累。的VDOS有两个主要的频带：一个对应于链间和链内的非键合相互作用和一个高频主要对应于构成骨架链骨架的键合珠的振动的低频频带。随着角势陡度的增加，与链弯曲相关的振动模式逐渐从低频向高频带移动。这种模式的重新分布反映在增加链刚度时所谓的玻色子峰的减少中。值得注意的是，更精细的结构和高频带的峰值，以及它们随刚度的变化，可以解释，短链，使用模型三原子分子的解析解。对于较长的链，与链刚度的VDOS的定性演变是相似的，虽然短链观察到的明显的峰变得越来越平滑。我们的研究结果可以用来指导一个系统的方法来解释布里渊和拉曼散射光谱的玻璃态聚合物在未来的工作中，与聚合物加工诊断的应用。
2018-01-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dynamics of equilibrium linked colloidal gels
吸引性地结合到仅几个邻居的胶体（例如，斑片状颗粒）可以形成具有独特的动态性质的平衡凝胶，该动态性质随时间稳定。在这里，我们使用一个粗粒度的模型来探索动态的平均价是宏观上，而不是微观上，约束的片状胶体的连接网络。该模型的模拟结果显示了平衡凝胶形成的动态标志，并建立了胶体-胶体键的持续时间控制自中间散射函数的特征缓慢弛豫。该模型的特点没有相分离的连接剂浓度的函数，在化学计量比的连接剂末端纳米粒子表面结合位点为中心的再入网络形成。从化学计量学的结果，在连接器饥饿或网站饥饿的网络与降低连接性和较短的特征弛豫时间与较低的活化能。在重入趋势的基础上，动力学性质随着每个胶体的有效网络键的数量单调变化，这个数量可以使用Wertheim的热力学微扰理论来预测。这些行为表明宏观原位策略调整胶体网络的动态响应。
2022-09-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Martini 3 Coarse-Grained Force Field for Carbohydrates
Martini 3力场是Martini粗粒模型的完全重新参数化，用于生物分子模拟。由于改进的相互作用平衡，它允许更准确地描述凝聚相系统。在目前的工作中，我们开发了一个一致的策略，准确地参数化的框架内的马提尼3碳水化合物分子。特别是，我们开发了一个典型的映射方案，任意大的碳水化合物分解成有限数量的片段。这些片段的珠类型已经通过匹配单糖和二糖的物理化学性质来分配。此外，指导方针分配债券，角度和二面角的发展。这些准则使碳水化合物的构象比马提尼2力场更准确的描述。我们表明，用这种方法获得的模型能够准确地再现碳水化合物水溶液的渗透压。此外，我们提供的证据表明，该模型区分正确的聚葡萄糖葡聚糖（水溶性）和纤维素（水不溶性，但可溶于离子液体）的溶解度。最后，我们证明了新的积木可以应用于糖脂，能够重现膜的特性，并诱导外周膜蛋白的结合。这些测试案例证明了我们的方法的有效性和可移植性。
2022-07-12 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.comp-ph
Refining Coarse-Grained Molecular Topologies: A Bayesian Optimization Approach
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Multiscale Technologies Inc.（Multiscale Technologies公司）；Purdue University（普渡大学）；Resonac Corporation（Resonac公司）
本文提出用贝叶斯优化细化Martini3粗粒化拓扑中的键合参数，开发出适用于任意聚合度且精度接近全原子MD的CG势能，兼顾计算效率与精度。
2025-06-11 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.chem-ph
