Para describir la dinámica de una colección de átomos, necesita un potencial interatómico adecuado (campo de fuerza) que describa la fuerza sobre cada átomo en cada paso de tiempo en virtud de todos los demás átomos del sistema. Siempre que dicho campo de fuerza esté disponible para el material dado, el sistema puede describirse de manera realista de manera clásica (resolviendo las ecuaciones de Newton). El campo de fuerza debe ser entrenado con precisión contra experimentos o cálculos de mecánica cuántica para capturar ciertas propiedades clave del material (estructura de la colección de átomos, energía, etc.).
Se han desarrollado varios campos de fuerza (con diferentes formas funcionales) para una clase diversa de sistemas de materiales. En una simulación física, primero hay que saber qué es el material y qué tipo de interacciones pretendemos simular. En base a eso, se puede elegir un campo de fuerza adecuado.
Si tiene la intención de desarrollar una caja de arena de propósito general que pueda capturar reacciones precisas que ocurren entre los átomos y, en general, para todo tipo de especies atómicas conocidas por el hombre, todo lo que puedo decir es que no tiene suerte. Uno de los campos de fuerza de propósito más general disponible en la actualidad que puede simular reacciones se llama potencial ReaxFF. Eso solo se ha parametrizado para un conjunto muy pequeño de elementos que conocemos (C, H, O, Cl, etc.). Si todo lo que desea es observar cómo los átomos rebotan o fluyen colectivamente (como un fluido), entonces hay campos de fuerza más simples que se han parametrizado para un conjunto más diverso de elementos.
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Si no le importa la precisión de las reacciones químicas que ocurren y solo está interesado en el efecto visual, entonces podría tomar ReaxFF y usar el mismo conjunto de parámetros que el carbono, por ejemplo, para describir el yodo o el potasio y simplemente cambiar la masa del átomo.
Un poderoso software de dinámica molecular disponible hoy es LAMMPS. Tiene implementado ReaxFF y viene con varios campos de fuerza incluidos en el paquete. Puede compilarse como una biblioteca de Python y puede interactuar con cualquier otro software que desarrolle para los gráficos y la visualización. Sin embargo, como con cualquier software científico, tiene una curva de aprendizaje muy empinada.
Aquí hay una respuesta que escribí para aprender LAMMPS: la respuesta de Kiran Sasikumar a ¿Cómo puedo aprender los scripts de Lammps para la simulación de MD? .
Aquí hay una que describe por qué el desarrollo del campo de fuerza es difícil: la respuesta de Kiran Sasikumar a En dinámica molecular, ¿cuáles son los obstáculos en el desarrollo de un campo de fuerza que funcione con precisión y eficiencia para todos los sistemas?
Aquí hay una para aprender la dinámica molecular y sus algoritmos: la respuesta de Kiran Sasikumar a ¿Dónde se puede comenzar con la dinámica molecular?
Cabe señalar que dichos cálculos son computacionalmente caros (la respuesta de Kiran Sasikumar a ¿Por qué las simulaciones de dinámica molecular son tan computacionalmente intensivas?) Y realmente no se pueden usar para un entorno limitado de propósito general que intenta simular el comportamiento del sistema a grandes escalas de tiempo y longitud. Realmente necesitas elegir qué tipo de física quieres simular.
Finalmente, las simulaciones clásicas de dinámica molecular pueden tratar con fuerzas gravitacionales y campos eléctricos. Si quieres simular toda la realidad conocida con otras fuerzas fundamentales también, entonces no tienes suerte.
