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Tower.Tsu

金虫 (著名写手)

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[交流] 【讨论】非平衡分子动力学

一直都没有弄得很明白,非平衡态分子动力学和平衡态分子动力学主要区分是啥，在编程上或者说在实现过程中怎么体现他们的不同。。。他们在系综选择上需要考虑啥？

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1楼 2011-04-13 12:31:38

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御剑江湖

荣誉版主 (著名写手)

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
ghcacj(金币+10, 模拟EPI+1): 谢谢 2011-04-14 09:57:19
Tower.Tsu(金币+10): 非常感谢！！你QQ昵称也是御剑吧？挺眼熟的，私下再向你请教！ 2011-04-14 15:37:30

引用回帖:

Originally posted by Tower.Tsu at 2011-04-13 12:31:38:
一直都没有弄得很明白,非平衡态分子动力学和平衡态分子动力学主要区分是啥，在编程上或者说在实现过程中怎么体现他们的不同。。。他们在系综选择上需要考虑啥？

《分子动力学模拟的主要技术》————周富信，朱如曾等
对于非平衡系统，其分子动力学模拟的过程包括初始条件和边界条件的确定、牛顿方程的有限差分求解和作为时间函数的感兴趣量的提取，对于平衡系统，其分子动力学模拟的过程与非平衡系统的差别在于感兴趣量及边界条件与时间无关。

总之平衡态的定义要更严格，平衡态指系统内热力学状态的均匀，稳态更侧重于在时间坐标下，空间内某一参量的稳定。
非平衡系统其实就是一种动态平衡。就是系统存在温度梯度，有不可逆热流，平衡态就是没有热流

平衡和非平衡，对于物理上来说很好讲，即无质量和速度传递的系统。该系统在MD下同样是平衡态的模拟。最简单的情况就是nve的情况。物理上的非平衡态是无论温度、化学势、体积、压力等的某个边界发生突变，在得到下一个平衡态的过程中的任何一个态。可以说都是非平衡态。稳态是一种特殊的平衡态。是一种保持了常“势差”的非平衡态，（因此也许可能与时间无关，稳态似乎可以理解为某个惯性系下的什么）。
至于md方法，实质是在满足一定条件下寻求符合条件的统计系综，即系统的系统的“迹”、如果你产生的这个迹是时间无关的，就可以说可能是平衡态或者稳态的。你产生的这个迹是与时间有关的，就是非平衡态的。正是由于可以控制以产生非平衡态的迹。因此对于研究非平衡态的性质很有用。关键是如何统计和计算这个与时间相关的量。如扩散系数，拉伸等。而在md中，如何实现，以及确保是一个“非平衡条件”是讲究的。
实现非平衡条件物理上应该是对于压力、温度、等的突变，而在微观原子尺度对于这个的定义的等价，以及在这个等价至上的动力学等价。即，如何通过一个个微观原子的操作，实现等价意义上的非平衡态。
剪切流由于施加了外场，是非平衡态，如果是一杯水，就是平衡态。如果是一杯升高温度变化的水，温度在水中以梯度的形式分布，应该也是非平衡态，但是若是到了90度，整个开始沸腾，或者热浴平衡后的水是否就是平衡态了。
有人把热浴法，压浴法，也归类为非平衡态。由于是虚拟的外加态和变量，似乎可以说是。但是由于虚拟的热是均布的作用于了系统上，可以说系统的升温是均匀的。是各处大家一起变化。对于某种意义，我感觉应该是平衡态。当然你可以说整个系统是平衡的，但是对于我们要研究的对象他成了非平衡的。这种非平衡其实不等于剪切流（由于施加外边界场）的非平衡。

一般情况下我们想得到的是系统的平衡态或是准平衡态, 从初始态到平衡态的驰豫需要一个足够长的时间,也就是说平衡态是跟时间相关的, 即系统的平衡程度是跟时间相关的函数.可是有些情况下系统本身就不处于平衡态或准平衡态下, 或者我们压根就不想知道(准)平衡下系统的情况, 那么就没有必要关心系统的平衡程度了, 即非平衡系统是跟时间无关的. 也可以被认为非平衡动力学就是系统从初始非平衡态到最终平衡态下中间的任何一时刻的瞬态过程, 至于你想取哪一时刻的瞬态, 就要看你关心哪些初始量的变化情况了.

非平衡态仅仅是个状态，用到分子动力学范畴下，可以和动态联系起来看。就是动态，静态，准静态的问题。
关键是各个分类研究的目的和问题定义不同。比如研究热导，是否就是要用非平衡态的动态，非平衡态的形成需要施加“非正常”（非平衡）边界条件。即便是非平衡态，可能某个部分也是平衡态（nh等温算法有的论述就是说这个算法对于宏观大系统是平衡态的正则系综，但是对于研究对象就是非平衡态）。
从非平衡态到平衡态的过程需要看非平衡的边界是否能保持吧。或者这个非平衡态的参考量有多大？而你的变化量多大？
总之，什么是过程量（与时间有关的量），什么是非过程量（时间无关），怎么界定这个度。比如温度到底是过程量还是非过程量。在升温或者降温过程中和处于平衡温度的研究应该有所不同对待。

非平衡MD 有两种
一种如yaozongzhuan, 是从非平衡到平衡的过程, 如自组装和蛋白质的折叠解折叠等
着眼于某个现象是否会发生, 或是这个驰豫的速率
另一种如hooge, 引入外界作用(力,电场等), 使体系进入一个稳态(稳定的非平衡态)
从而计算某个过程的速率, 比如体系电导等
前者不用控温, 可以监视体系能量变化. 后者用控温, 可以及时消除外力引入的能量