TorchSim: An efficient atomistic simulation engine in PyTorch
TorchSim是基于PyTorch的开源原子模拟引擎，通过重写核心原语并支持批处理并发模拟，为机器学习原子间势提供数量级加速，高效利用现代GPU并支持可微模拟。
2025-08-08 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Fe impurity induced ion-nanopatterning: atomistic simulations using a new force field for FeSi
用原子模拟方法模拟了离子轰击Si（001）在掺杂Fe和不掺杂Fe的情况下的纳米图形化过程。用一种新的力场模拟了FeSi的表面污染。这是Albe等人给出的Si和Fe的拟合键级势（BOP）。该BOP公式已同时针对FeSi、Si和Fe进行了优化。使用这个新的力场，我们能够遵循的离子束辅助沉积的Si中存在的Fe污染的表面区域。作为一个整体的结果，我们得到了一个意想不到的丰富多样的纳米粒子形成的重组的陨石坑边缘的个别离子的影响。以前认为简单的原子粗糙表面显示出前所未有的景观和地形与纳米级的功能。图案的单元的特征尺寸在几nm的范围内。典型的发生模式是相互连接的细长吸附原子岛的网络。我们还看到了离子轰击后这种模式的自组织。在$50^{\circ}$的影响角度，我们得到一个纳米多孔表面（海绵状）的铁污染和铁免费模拟。在$70^{\circ}$的影响（掠入射角）的图案类似于细长的原子链（吸附原子岛）沿离子碰撞方向。后一种模式可以被理解为涟漪的前模式状态。在较低的角度（$30^{\circ}$）纳米孔统治景观。所获得的图案对应于低通量实验，其被用来考虑为简单的粗糙化而不显示任何图案化的信号。
2014-01-08 cond-mat.mtrl-sci
Pushing the limits of atomistic simulations towards ultra-high temperature: a machine-learning force field for ZrB2
在很宽的温度范围内，特别是在超高温区域内，确定热和物理量是一项艰巨的理论和实验挑战。同时，这对于了解超高温陶瓷（UHTC）材料的性能至关重要。在这里，我们提出了一个机器学习力场的ZrB 2，具有复杂的键合结构的UHTC家族的主要成员之一的发展。力场显示出能量和力的化学准确性，并且可以再现结构、弹性和声子性质，包括热膨胀和热输运。与现有的经验势的彻底比较表明，我们的力场优于竞争对手。最重要的是，它的有效性从室温扩展到超高温区域（高达~ 2，500 K），在那里测量非常困难，成本高昂，有时甚至不可能。我们的工作表明，机器学习力场可用于在没有实验工具的恶劣环境中模拟材料，但对于许多工程应用至关重要，例如航空航天，航空和核能。
2019-11-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Resolving singular forces in cavity flow: Multiscale modeling from atoms to millimeters
流体流动的多尺度方法的开发，保留了原子的描述在关键区域。该方法被应用到一个经典的问题，所有规模的贡献：在一个移动的墙壁上界定一个充满流体的空腔的力。连续介质方程预测了由于应力奇异性而产生的无穷大的力。在具有毫米和毫秒特征尺度的系统中跟踪超过六十年的应力，使我们能够首次解决奇点并确定力。与纯原子计算相比，加速超过14个数量级。我们发现一个普遍的依赖于宏观雷诺数，和大的原子效应，取决于壁速度和相互作用。
2005-08-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Polarizability Versus Mobility: Atomistic Force Field for Ionic Liquids
基于经典的分子动力学模拟，讨论了库仑相互作用对含1，3-二甲基咪唑（MMIM+）、N-丁基吡啶（BPY+）和双（三氟甲磺酰）亚胺（TFSI-）离子的室温离子液体（RTIL）的一系列性质的影响.离子传输被发现是显着阻碍了过量的库仑能，源于忽略电子极化在这些RTIL的凝聚相。从模型开始，最近建议由洛佩斯和帕多瓦，我们表明，现实的离子动力学可以实现的所有相互作用网站上的静电荷的统一缩放。原始模型系统地高估了RTIL的密度和汽化热。由于密度线性依赖于电荷缩放，因此可以将其用作方便的信标以迅速导出正确的缩放因子。基于[BPY][TFSI]和[MMIM][TFSI]在宽温度范围内的模拟，我们得出结论，所建议的技术是可行的，大大提高质量的已经存在的非极化FFs的RTIL。
2011-08-18 cond-mat.mtrl-sci
Phonon transmission across Mg2Si/Mg2Si1-xSnx interfaces: A first-principles-based atomistic Green's function study
由于声子在纳米材料界面上的传输对于确定纳米材料的有效热导率具有重要意义，近年来利用原子模拟工具对声子在不同材料界面上的传输进行了深入的研究。原子格林函数（AGF）方法结合第一性原理计算得到的原子间力常数，已发展成为研究许多尚未得到充分研究的材料体系中声子传输的一种有前途的方法。然而，当体系中存在原子无序时，直接FP计算原子间力常数变得不可行。通常使用质量近似，但其有效性尚未得到验证。在本文中，我们采用高阶力常数模型提取谐波力常数从FP计算，这源于虚晶体近似，但考虑了本地力场差异。作为将FP计算中的高阶力常数模型与AGF相结合的可行性论证，我们研究了Mg 2Si/Mg 2Si 1-xSnx系统中的声子传输。当与AGF相结合时，发现广泛使用的质量近似过度预测了Mg 2Si/Mg 2Sn界面的声子传输。这种差异可以归因于在质量近似中没有局域应变场诱导的散射，这使得高频声子散射较小。研究了高效“合金中纳米颗粒”热电材料中常见的晶体-合金界面声子输运的频率依赖性。当Sn含量小于40%时，Mg_2Si/Mg_2Si_（1-x）Sn_x界面热阻随Sn含量的变化不大，但当Sn含量大于40%时，由于Mg_2Si_（1-x）Sn_x合金中高频声子态密度的变化，界面热阻迅速增大。
2015-01-16 cond-mat.mtrl-sci
BLAST: Bridging Length/time scales via Atomistic Simulation Toolkit
超级计算机的不断增长的能力加上高度可扩展的模拟代码，使分子动力学成为从材料的预测建模到计算设计和发现新材料等广泛应用中不可或缺的工具。在从头算、经典和粗粒度的分子动力学模型之间建立多保真度尺度的桥梁一直是一个长期的挑战。在这里，我们介绍我们的框架BLAST（桥接长度/时间尺度通过原子模拟工具包），利用机器学习原则来解决这一挑战。BLAST是一个多保真度尺度的桥接框架，为用户提供训练和开发自己的经典原子和粗粒度原子间势（力场）的能力，用于分子模拟。BLAST旨在解决分子模拟领域中的几个长期存在的问题，例如由于开发人员和用户之间的知识差距而导致的对现有力场的无意滥用，传统力场开发方法中的瓶颈，以及与力场的准确性，效率和可转移性有关的其他问题。在这里，我们讨论了力场发展的几个重要方面，并强调了BLAST的功能，使其功能和易用性。
2020-02-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cs.CE
Atomistic modeling of the phonon dispersion and lattice properties of free-standing <100> Si nanowires
采用<100>基于原子力常数的修正价力场（MVFF）方法对硅纳米线（SiNW）中的声子色散进行了模拟。该模型复制体硅声子色散非常好。在硅纳米线中，除了四个类似声学的分支外，还出现了许多平坦的分支，这表明这些纳米线中存在强烈的声子约束，并强烈影响其晶格性质。的声速（Vsnd）和晶格热导率（kl）的减少，而由于增加的声子约束和表面体积比（SVR）的比热（Cv）增加的导线横截面尺寸减小。
2010-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomistic modelling of friction of Cu and Au nanoparticles adsorbed on graphene
我们提出了经典的分子动力学计算的行为的铜和金纳米粒子的石墨烯片，剪切与恒定施加的力$F_{\rm a}$。从衬底作用在颗粒上的力$F_{\rm s}$取决于纳米颗粒的材料（Au或Cu），并且表现出对时间的依赖性，我们将其归因于金属纳米颗粒表面原子位置与石墨烯晶格之间的局部可折叠性。作用在Au纳米颗粒上的$F_{\rm s}$（摩擦力）的时间平均值随着接触面积线性增加，具有接近实验可观察到的斜率。提出了一个定性模型来解释观察到的结果。
2013-11-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
On-the-Fly Active Learning of Interpretable Bayesian Force Fields for Atomistic Rare Events
机器学习力场通常需要手动构建由数千个第一性原理计算组成的训练集，当应用于模型的训练集中未表示的结构时，这可能导致低训练效率和不可预测的错误。这严重限制了这些模型在动力学受重要稀有事件（如化学反应和扩散）控制的系统中的实际应用。我们提出了一种自适应贝叶斯推断方法，用于自动化训练的可解释的，低维的，和多元素的原子间力场使用结构绘制的飞行从分子动力学模拟。在主动学习框架内，高斯过程回归模型的内部不确定性用于决定是否接受模型预测或执行第一性原理计算以增强模型的训练集。该方法被应用到一系列的单元素和多元素的系统，并实现了良好的平衡的精度和计算效率，同时需要一个最小的从头算训练数据。我们提供了我们的方法的完全开源的实现，以及将训练模型映射到计算效率高的列表力场的过程。
2019-11-19 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Autonomous interpretation of atomistic scattering data
University of Oxford（牛津大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
本文提出可微优化框架，统一处理散射计算、能量与化学约束，实现原子散射数据自主解析，解决结构简并性，助力自主实验室运行。
2025-10-08 cond-mat.mtrl-sci
Leveraging Machine Learning Force Fields (MLFFs) to Simulate Large Atomistic Systems for Fidelity Improvement of Superconducting Qubits and Sensors
Synopsys, Inc（新思科技）
本文提出利用QuantumATK工具结合DFT、非平衡格林函数和机器学习力场模拟大型原子系统，并引入多体相互作用，以解决超导量子比特和传感器开发中的材料建模与热学性质计算挑战。
2025-09-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.comp-ph
Atomistic insights into the degradation of halide perovskites: a reactive force field molecular dynamics study
卤化物钙钛矿由于其特殊的光电性质而制成高效的太阳能电池，但存在若干稳定性问题。由于实验中时空分辨率的限制以及缺乏有效的计算方法来研究反应过程，降解过程的表征具有挑战性。在这里，我们提出的第一个努力，在发展反应力场的大规模分子动力学模拟的相不稳定性和缺陷诱导的降解反应在无机CsPbI $_{3}$。我们发现，相变的钙钛矿晶格的非谐性与热熵的组合驱动。在相对低的温度下，Cs阳离子倾向于远离与周围金属卤化物骨架良好接触的优先位置，潜在地导致其转化为非钙钛矿相。我们的缺陷结构的模拟表明，虽然碘空位和杂质在钙钛矿晶格中是非常移动的，但空位对稳定性有不利影响，引发钙钛矿分解反应为PbI $_{2}$。我们的工作提出ReaxFF作为一个有效的计算框架，研究反应过程中的卤化物钙钛矿。
2021-04-03 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic modeling of amorphous silicon carbide: An approximate first-principles study in constrained solution space
采用密度泛函框架下的定域基从头计算分子动力学模拟生成了非晶碳化硅（a-SiC）的真实构型。我们的方法包括构建一组智能初始配置，符合基本的几何和结构方面的材料从实验数据，随后通过第一原理力场驱动，以获得最佳的解决方案，在减少的解决方案空间。先验信息（主要是结构和拓扑）与总能量的从头算优化相结合，使得可以模拟大系统尺寸（1000个原子），而不会影响力场的量子力学精度，以描述Si和C的复杂化学键。的结构，电子和振动特性的模型进行了研究，并与现有的理论模型和实验数据。我们证明，该方法是能够产生大的，现实的配置的a-SiC的第一性原理模拟，显示优异的结构和电子性能的a-SiC。我们的研究揭示了在材料中存在的主要短程有序起源于异质Si-C键的配位缺陷浓度小至5%和约8%的化学无序参数。
2009-02-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
A Comprehensive Assessment and Benchmark Study of Large Atomistic Foundation Models for Phonons
University of South Carolina（南卡罗来纳大学）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
本文评估了六种大原子基础模型在声子特性预测中的表现，发现EquiformerV2在预测原子力和三阶IFCs方面表现最佳，而微调版本在预测二阶IFCs、LTC等声子性质上优于其他模型。
2025-09-03 cond-mat.mtrl-sci
Unbiased Atomistic Predictions of Crystal Dislocation Dynamics using Bayesian Force Fields
本研究基于ab initio数据构建贝叶斯机器学习力场，实现单晶Cu高温高应力位错动力学的原子尺度模拟，首次可靠定量预测位错迁移率和交滑移能垒。
2024-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
A hybrid molecular dynamics/atomic-scale finite element method for quasi-static atomistic simulations at finite temperature
本文提出了一种有限温度下准静态原子模拟的混合方法，该方法结合了分子动力学方法（MD）求解热平衡和原子尺度有限元方法（AFEM）求解有效平衡的优点。通过引入从MD中提取的虚拟热扰力和等效热扰力，将温度效应嵌入到静态AFEM仿真中。交替执行MD和AFEM可以快速获得一系列的热力学平衡配置，使得准静态过程被建模。提出了一种搅拌加速的MD/AFEM快速弛豫方法，该方法通过随机交换原子力和原子速度来人为地加速机械波传播和热扩散等“慢过程”.单壁碳纳米管的数值算例证明了所提出的方法的有效性。
2013-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.comp-ph
EGraFFBench: Evaluation of Equivariant Graph Neural Network Force Fields for Atomistic Simulations
Indian Institute of Technology Delhi（印度理工学院德里分校）；Aalborg University（奥尔堡大学）；Intel Labs（英特尔实验室）；Sorbonne University（索邦大学）
本文系统评估了6种等变图神经网络力场在原子模拟中的表现，发布了新数据集、指标和任务，发现低误差不等于模拟稳定且模型在分布外数据上表现不可靠，指出了开发力场基础模型的必要性。
2023-11-24 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
First-Principles Atomistic Structure and Dynamics of Polyethylene During High-Pressure Radical Polymerization via Machine Learning Force Fields
University of North Texas（北得克萨斯大学）；Lehigh University（理海大学）
该研究结合深度势机器学习力场与第一性原理DFT，探究高压自由基聚合下PE低聚物与聚合物的结构动力学，证实模型可推广至长链，为基于第一性原理的聚合物预测奠定基础。
2026-08-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cs.LG
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
Atomistic Field Theory for contact electrification of dielectrics
导电材料的摩擦起电可以用不同费米能级间的电子转移来解释。然而，对摩擦起电的了解甚少。表面偶极子的形成被证明是由接触引起的表面晶格变形。基于原子场论（AFT）的公式被用来计算极化场、电场和势场的分布。感应场被认为是电荷转移的驱动力。模拟结果表明，MgO/BaTiO 3摩擦副可以产生高达104 V/cm^2的电压，这与文献中的数据是一致的。
2018-09-17 cond-mat.mtrl-sci
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
Influence of tip materials on the friction force microscopy of epitaxial graphene on SiC(0001): comparison of diamond and silicon tips in experiments and atomistic simulations
本研究结合FFM实验与原子模拟，比较金刚石和硅针尖作用于SiC(0001)外延石墨烯的摩擦转变，揭示针尖材料、压力、温度和速度对界面成键及剪切应力的影响。
2025-03-14 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
On the role of ion potential energy in low energy HiPIMS deposition: An atomistic simulation
我们利用分子动力学模拟研究了离子势或轰击离子的非动能在电离物理气相沉积Cu过程中的作用。特别是，我们专注于低能量HiPIMS沉积，其中离子的势能可以与它们的动能相当。作为成膜材料的离子和表面原子（基底和随后沉积的膜）之间的短程排斥力的离子势由齐格勒-比尔萨克-利特马克势定义。分析最终结构表明，包括离子势导致稍微较低的界面混合和较少的点缺陷（如空位和晶体），但再溅射和孪生略有增加。然而，通过包括离子电势，碰撞模式改变。我们还观察到，当包括离子电位时，暂时形成高度为5 nm的波纹/孔。后一种效应可以解释原子力显微镜实验观察到的HiPIMS沉积Cu薄膜中的孔隙。
2021-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Bonding-aware Materials Representation for Deep Learning Atomistic Models
针对深度势分子动力学模拟速度受限的问题，本研究基于矩定理提出成键感知的神经网络势嵌入方法，用极小16×32网络实现了力与局域电子态密度预测的SOTA精度，大幅降低计算成本。
2023-06-16 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Atomistic simulations of amorphous polymers in the cloud with PolymerModeler
分子动力学（MD）模拟通过数值求解系统中每个原子的时间演化，能够用原子细节描述材料的性质和过程。我们介绍PolymerModeler，一个通用的，在线模拟工具，建立原子结构的无定形聚合物和MD模拟的结果配置，预测其热机械性能。PolymerModeler可通过交互式Web界面在nanoHUB.org上免费获得，实际模拟在使用nanoHUB.org资源的云中执行。从一个或多个单体的规格开始，PolymerModeler将聚合物链构建到具有所需密度的周期性边界条件的模拟单元中。使用连续构型偏差直接蒙特卡罗方法顺序添加单体，并且可以产生描述所需单体序列的共聚物。PolymerModeler还使用户能够使用Dreiding力场和Gasteiger部分原子电荷对构建器创建的结构进行MD模拟。我们描述了力场实现和各种选项的MD模拟，使用LAMMPS模拟器。PMMA样品的PolymerModeler MD模拟显示出与实验良好的结构一致性，并且与商业软件获得的模拟结果吻合良好。
2015-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Voltage equilibration for reactive atomistic simulations of electrochemical processes
介绍了反应分子动力学模拟中描述电化学驱动力的模型EChemDID。该方法描述了金属结构内的外部电化学电势（电压）的平衡及其对反应分子动力学中使用的自洽部分原子电荷的影响。分配给每个原子的一个额外的变量表示在其附近的本地电位，我们使用虚构的，但计算方便，动态描述其平衡内不简单连接的金属结构上的飞行过程中的分子动力学模拟。该局部静电势用于动态地修改用于通过电荷平衡计算部分原子变化的原子电负性。验证测试表明，该方法提供了一个准确的描述所施加的电压和电化学反应的驱动力产生的电场。我们证明EChemDID通过模拟电化学金属化电池的操作。模拟预测的高电阻到低电阻状态之间的设备作为一个导电的金属桥形成和电阻电流，可以与实验测量进行比较的切换。除了在纳米电子学中的应用外，EChemDID还可以用于模拟电化学能量转换装置。
2015-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Angular compliance, not amplitude, governs the dielectric response of BaTiO3
The University of Tokyo（东京大学）
通过电场耦合分子动力学与机器学习力场，揭示BaTiO3介电响应由局域Ti-O偏心角重分布控制，并建立温度与应变下统一的取向描述符关系。
2026-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of magnetoelastic effects on sound velocity
在这项工作中，我们利用原子自旋晶格模拟来研究磁相互作用如何影响声波通过铁磁材料的传播。为了实现这一目标，我们的特征的BCC铁，一个原型的铁磁材料中的声波速度，使用三种不同的方法，是基于振荡的动能，有限位移派生力，和修正的弹性常数，分别。成功地应用这些方法的自旋晶格框架内，我们发现很好的协议与西蒙效应，包括高阶项。在模拟实验中，形态系数与横向和纵波沿[001]方向传播的速度数据的分数变化的拟合提取。目前的努力代表了磁弹性建模能力的进步，可以加快未来磁声器件的设计。
2022-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Simulation of frictional anisotropy on quasicrystal approximant surfaces
Park { \it等}已经报道了在十次对称的Al-Ni-Co准晶的两个折叠面上，在周期方向上的原子尺度摩擦比在准周期方向上的原子尺度摩擦大八倍。我们提出的分子动力学模拟的结果，旨在阐明背后的巨大的摩擦各向异性的机制。模拟裸原子力显微镜尖端上的几个模型基板，并在各种条件下未能再现实验结果。另一方面，包括实验钝化的尖端与链的十六烷硫醇，我们再现定性的实验各向异性摩擦，发现证据夹带的有机链在表面犁沟平行的周期性方向。
2016-06-26 cond-mat.mtrl-sci
The Good, the Bad, and the Ugly of Atomistic Learning for "Clusters-to-Bulk" Generalization
University College London（伦敦大学学院）；Thomas Young Centre and London Centre for Nanotechnology（托马斯杨中心与伦敦纳米技术中心）；Flatiron Institute（平顿研究所）
本文通过合成参考数据研究团簇训练的机器学习原子间势向体相冰-Ih泛化的精度与数据效率，发现多保真度迁移学习结合能量和力训练效果最佳，仅用能量训练会掩盖力误差，并据此提出训练与验证准则。
2025-09-20 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Effect of randomly occurring Stone-Wales defects on mechanical properties of carbon nanotubes using atomistic simulation
虽然发现CNT具有超高的刚度和强度，但在可用的实验室结果中也观察到巨大的分散。采用原子模拟技术研究了随机分布的Stone Wales（SW或5 7 7 5）缺陷对单壁纳米管（SWNTs）力学性能的影响。在有限长圆柱表面上施加Matern硬核随机场，描述了Stone Wales缺陷的空间分布。我们模拟了一组位移控制的拉伸载荷与（6，6）扶手椅和（10，0）锯齿形配置和纵横比约为6的单壁碳纳米管断裂。采用修正的Morse势来模拟原子间的相互作用力。我们发现，如果存在缺陷，断裂总是从缺陷开始;对于无缺陷的管，裂纹在相当随机的位置开始。力-位移曲线通常表现为几乎线性直到大约一半，尽管没有明显的屈服点。三个力学性能-刚度，极限强度和极限应变-计算从模拟的力和位移时程。在室温下，仅由初始速度分布引起的力学行为的随机性被发现是微不足道的。钢管的刚度、极限强度和极限应变的平均值随缺陷平均数的增加而减小，但变异系数并不呈单调变化趋势。当管最初没有缺陷时，引入额外的缺陷对机械性能的随机性具有最显著的影响。我们还发现，对于一个给定的平均缺陷数的管，锯齿形配置具有较小的强度和较小的平均极限应变，但更多的不确定性，在其刚度和极限应变，与扶手椅管相比。
2015-07-28 cond-mat.mtrl-sci
A Multi-scale Approach for Simulations of Kelvin Probe Force Microscopy with Atomic Resolution
距离依赖性和原子尺度的对比度观察到标称接触电势差（CPD）信号记录的绝缘和半导体样品的表面上，刺激理论试图解释这种影响。我们分两步解决这个问题。首先，在可调非均匀网格上用有限差分法处理宏观针尖-悬臂梁-样品系统的静电问题。然后将尖端尖端下的电场插入到一系列基于原子小波的密度泛函理论（DFT）计算中。结果显示了一个现实的中性，但反应性硅纳米级尖端与NaCl（001）样品相互作用。偏置相关的力和由此产生的原子位移计算到前所未有的精度。振幅调制（AM）和频率调制（FM）KPFM信号和相应的本地接触电势差（LCPD）的理论表达式通过结合宏观和原子贡献的静电力分量产生的电压调制频率，并评估几个尖端振荡幅度A高达10 nm。原子力相对于偏压的斜率在几伏特内基本恒定，是决定原子尺度LCPD对比度变化的基本量。已经高于A = 0.1 nm，两种模式下的LCPD对比度表现出与斜率几乎相同的空间依赖性。在AM模式中，该对比度与$A^{-1/2}$近似成比例，但仍然比FM模式中的对比度弱得多，FM模式中的对比度随着A的增加而下降得更快。这些趋势是宏观贡献的KPFM信号，这是更强的AM模式，特别重要的是，如果样品是一个绝缘体，即使在亚纳米分离的原子尺度的对比度出现的结果。
2012-03-24 cond-mat.mtrl-sci
Are Foundational Atomistic Models Reliable for Finite-Temperature Molecular Dynamics?
Department of Physics, School of Science, Westlake University, Hangzhou, Zhejiang 310030, China（物理系，科学学院，西湖大学，杭州，浙江 310030，中国）
本文以PbTiO₃铁电-顺电相变为案例，评估主流基础原子模型的有限温度分子动力学模拟可靠性，发现其静态精度与动态可靠性存在脱节问题，为模型改进方向提供参考。
2025-11-13 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.comp-ph
Relative relevance of mobility and driving force on edge dislocation climb by the vacancy mechanism
在这项工作中，我们研究的驱动力刃位错爬在$α$ -Fe从原子和介观尺度的观点。我们研究的偏差的攀登过程中取决于位错取向和所施加的应力来自两个梯度的化学势和输运系数。这两项都被施加的应力修正，因此都有助于爬升。令人惊讶的是，即使空位迁移势垒分布被修改的外部应力，通过轻推弹性带计算得到的，从一个动力学蒙特卡罗模型所得到的能量景观所产生的迁移率是不可区分的，独立的应力。此外，一个对象的动力学蒙特卡罗（OKMC）模型，包括位错应变场的影响，一阶确实显示出轻微的各向异性组件在扩散中更复杂的位错配置。然而，OKMC的结果突出了这样一个事实，即热力学分量是占主导地位的驱动力。我们的结论是，在$α$ -Fe在热条件下，偏置的主要来源是由空位化学势的差异，这是小到足以阻碍动态原子模拟的过程。
2020-11-06 cond-mat.mtrl-sci
Reactive Coarse Grained Force Field for Metal-Organic Frameworks applied to Modeling ZIF-8 Self-Assembly
Sorbonne Université（索邦大学）；University of Warwick（华威大学）
本文提出了一种用于金属有机框架的反应性粗粒化力场，用于建模ZIF-8的自组装过程。
2026-02-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Atomistic simulation of barocaloric effects
由于严重的环境问题，迫切需要从目前基于压缩温室气体的制冷方法转向新型固态冷却技术。固态冷却利用了材料对外部场的热响应，称为“热效应”。从技术的角度来看，由流体静压驱动的压热量（BC）效应特别有前途，因为其通常比其他热量变体（例如，分别由磁场和电场驱动的磁热和电热效应）。BC效应的原子模拟代表了一种有效的和物理上有洞察力的策略，通过补充甚至在某些情况下指导实验来推进固态冷却。原子模拟的BC效应涉及的方法范围从计算成本低廉的力场计算非常苛刻，但定量准确，第一原理方法。在这里，我们调查了几种方法和策略，如准谐波近似和直接/准直接估计方法的原子模拟BC效应。该评论最后收集的案例研究中，其中一些方法被用来模拟和预测原始BC的影响。
2022-08-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Differentiable hybrid force fields support scalable autonomous electrolyte discovery
National University of Singapore（新加坡国立大学）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
本文提出可微混合力场，通过融合物理驱动的功能形式与神经网络短程修正，解决自主电解质发现的三重困境，实现高效、准确且可校准的计算引擎。
2026-06-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Atomistic modeling of functionalized magnetite surfaces with oxidation states
本文提出一种基于蒙特卡罗和铁氧化态交换的原子级建模方法，可在数万原子尺度模拟磁铁矿-羧酸界面，无需重新标定力场参数，并揭示了氧化态分布随覆盖度和表面厚度的变化规律。
2025-07-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Neural-networks model for force prediction in multi-principal-element alloys
原子模拟可以提供有用的洞察多主元素合金的物理性质。然而，经典势大多未能捕获关键的量子（电子结构）效应。我们提出了一个基于深度3D卷积神经网络（3D CNN）的框架，结合体素化技术来设计化学复杂合金的原子间势。我们强调了3D CNN模型的性能及其使用中熵合金TaNbMo计算潜力的功效。为了深入了解体素分辨率的影响，我们实现了两种基于内部和外部边界框的方法。一个有效的三维CNN模型，这是精确的密度泛函理论（DFT）的方法，用于计算潜在的将提供一个有前途的方案，精确的原子模拟的结构和动力学的一般多元素合金。
2021-06-01 cond-mat.mtrl-sci
Realistic time-scale fully atomistic simulations of surface nucleation of dislocations in pristine nanopillars
我们使用我们最近提出的加速动力学算法（Tivary & van de Walle，2011）来计算在真实负载下原始金纳米柱中位错的表面成核的激活自由能的温度和应力依赖性。在保持完全原子分辨率的同时，我们实现了第二时间尺度制度的分数。我们发现，激活自由能显着依赖于驱动力（应力或应变）和温度，导致非常高的激活熵。我们还对金纳米柱进行了压缩测试，应变率在7个数量级之间变化，低至10^3/s。我们的计算表明，不切实际的应变率分子动力学计算的屈服点的定量影响：我们发现，虽然<001>在整个应变率范围内的金纳米柱的压缩的故障机制保持不变，弹性限度（定义为应力成核的第一个位错）显着依赖于应变率。我们还提出了一种新的方法，克服了我们原来的加速动力学方案（和加速动力学方法一般）的一些限制。我们充分详细地阐述了我们的方法，以便用于理解和预测各种问题在现实驱动力下的变形机制。
2013-05-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
A foundation model for atomistic materials chemistry
该研究提出通用原子机器学习模型MACE-MP-0，在中等规模公共数据集训练后可对多类物质运行稳定分子动力学，微调少量数据即达从头算精度，降低原子建模门槛。
2025-09-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Physically-informed artificial neural networks for atomistic modeling of materials
材料的大规模原子计算机模拟在很大程度上依赖于预测原子上的势能和牛顿力的原子间势。传统的原子间相互作用势是基于物理直观的，但包含的可调参数很少，通常是不准确的。新兴的机器学习（ML）潜力实现了在大型DFT数据库中的能量之间的高度精确的插值，但是，作为纯粹的数学构造，对未知结构的可移植性较差。我们提出了一种新的方法，可以大大提高ML潜力的可转移性，通过通知他们的物理性质的原子间键合。这是通过结合一个相当普遍的物理为基础的模型（分析键级潜力）与神经网络回归。该网络在模拟过程中根据单个原子的局部环境动态调整基于物理的模型的参数。这种方法，被称为物理知情的神经网络（PINN）的潜力，证明了通过开发一个通用的PINN潜在的铝。潜力提供了DFT级的能量预测精度和良好的协议与实验和DFT数据的广泛的物理性质。我们认为，基于物理的ML势的发展是原子模拟领域最有效的前进方向。
2019-01-22 cond-mat.mtrl-sci
A deep machine learning potential for atomistic simulation of Fe-Si-O systems under Earth's outer core conditions
使用人工神经网络机器学习（ANN-ML）生成原子间相互作用势已被证明是一种很有前途的方法，可以解决分子动力学（MD）模拟中长期存在的精度与效率的挑战。在这里，以Fe-Si-O系统为原型，我们表明，准确和可转移的ANN-ML潜力可以开发可靠的MD模拟材料在高压和高温条件下的地球的外核。通过拟合基于密度泛函理论的第一性原理计算得到的高温高压下相关二元和三元液体结构的能量和力，训练了Fe-Si-O体系的ANN-ML势.结果表明，所生成的ANN-ML势能很好地描述该复杂系统的液相结构和动力学。具有DFT精度的ANN-ML势为精确模拟地球外核复杂Fe-Si-O系统的结构和动力学提供了一个很有前途的方案。
2022-05-19 cond-mat.mtrl-sci
An Extensible Agentic Framework for Expert-Level Automation of Atomistic Simulations
Seoul National University（首尔大学）；Korea Institute for Advanced Study（韩国高等科学研究院）
提出Paimon平台，通过抑制静默错误、支持外部科学智能体协作和自主复现文献方法，实现原子模拟全生命周期的连续自动化。
2026-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Optimization and Validation of a Deep Learning CuZr Atomistic Potential: Robust Applications for Crystalline and Amorphous Phases with near-DFT Accuracy
我们表明，基于密度泛函理论（DFT）计算的深度学习神经网络势（DP）可以很好地描述Cu-Zr材料，这是一个二元合金系统的例子，可以共存于几种有序的金属间化合物中，并作为非晶相。Cu-Zr的复杂相图使其成为传统原子力场的挑战系统，无法很好地描述不同的性质和相。相反，我们表明，DP的方法，使用一个大型数据库与~ 300 k配置可以呈现结果一般与DFT。训练集包括原始和散装的基本金属和金属间化合物的配置，在液相和固相除了板和非晶配置。DP模型进行了验证，通过比较体性质，如晶格常数，弹性常数，体模量，声子谱，表面能DFT值相同的结构。此外，我们对比DP的结果与使用公认的两个嵌入式原子方法的潜力得到的值。总的来说，我们的DP潜力提供了近DFT的精度为不同的Cu-Zr相，但其计算成本的一小部分，从而使精确计算的现实原子模型，特别是非晶相。
2020-02-17 cond-mat.mtrl-sci
CHGNet: Pretrained universal neural network potential for charge-informed atomistic modeling
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；University of Cambridge（剑桥大学）；University of Minnesota（明尼苏达大学）
提出CHGNet，一种基于图神经网络、预训练于大规模DFT轨迹的通用原子间势，通过显式建模磁矩捕获电荷信息，用于准确模拟材料中的原子和电子自由度，并在多个固态系统中展示应用。
2023-06-20 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
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
Embedding quantum statistical excitations in a classical force field
量子力学驱动的电荷极化和电荷转移在生物分子系统中普遍存在，控制反应速率、变构相互作用、配体-蛋白质结合、膜运输和动力学驱动的结构转变。这些过程的分子动力学（MD）模拟需要量子力学（QM）信息，以准确地描述其反应动力学。然而，目前的技术-经验力场，子系统方法，从头算MD和机器学习-在它们的能力不同，以实现跨多种原子类型的一致的化学描述，并在规模。在这里，我们提出了一个基于物理学的原子力场，系综DFT电荷转移嵌入原子方法，其中QM力在所有原子上以统一的理论水平描述，避免了对薛定谔方程或大型预先计算的训练数据集的显式解的需要。电子和原子的长度尺度之间的耦合是通过最初为元素材料开发的嵌入原子方法的系综密度泛函理论制定的影响。电荷转移用单个原子的离子态基密度的集合表示，而电荷极化用原子的激发态基密度表示。这提供了一个高度紧凑但一般的力场表示，包括局部和系统范围的影响。电荷重排通过系综权重的演变来实现，通过化学势均衡在每个动力学时间步进行调整。
2021-01-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Thermally activated magnetization reversal in monoatomic magnetic chains on surfaces studied by classical atomistic spin-dynamics simulations
我们通过原子自旋动力学模拟分析了热涨落引起的有限长单原子链的自发磁化反转。我们的方法是基于经典自旋哈密顿量的Landau-Lifshitz运动方程在随机力的存在下的积分。相关的磁化寿命被发现服从阿克里乌斯定律的激活势垒等于在链中的畴壁能量。对于长于一个畴壁宽度的链，反转是通过主要在链边缘处的反转磁化畴的成核而发起的，随后是畴壁以随机行走方式向另一边缘的后续传播。如果不超过磁化相关长度，则这导致寿命对链长度的线性依赖性。我们研究了单轴和三轴各向异性链，发现三轴各向异性导致磁化寿命的减少，由于较高的反转尝试率，即使激活势垒没有改变。
2010-11-20 cond-mat.mtrl-sci
LeMat-Traj: A Scalable and Unified Dataset of Materials Trajectories for Atomistic Modeling
Entalpic, Paris, France（法国巴黎的Entalpic）
为解决DFT轨迹数据碎片化问题，构建了含超1.2亿原子构型的统一数据集LeMat-Traj，并开发开源工具，显著提升机器学习原子间势的精度与可迁移性。
2025-10-17 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Strain Functionals: A Complete and Symmetry-adapted Set of Descriptors to Characterize Atomistic Configurations
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Baylor University（贝勒大学）
提出应变泛函描述符框架，利用高斯核映射原子量并构造完备的旋转不变描述符，可区分晶体对称性、识别缺陷并测量变形，适用于原子模拟数据分析。
2026-10-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mixing I and Br in Inorganic Perovskites: Atomistic Insights from Reactive Molecular Dynamics Simulations
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）
研究通过分子动力学模拟探讨了钙钛矿相变及离子动力学，发现Br含量增加会降低钙钛矿形成立方结构的温度，通过诱导晶格应变影响相稳定性。
2024-05-29 cond-mat.mtrl-sci
