Blick ins Innere: Molekulardynamik

Die Box führt Molekulardynamik aus: Newtons Gesetze für jedes Atom, in kleinen Zeitschritten. Die Kraft ergibt sich aus dem Lennard-Jones-Potenzial

U(r) = 4ε [ (σ/r)¹² − (σ/r)⁶ ]

Der Term r⁻¹² ist eine steile Wand (Atome können sich nicht überlappen); der Term r⁻⁶ beschreibt die schwache Van-der-Waals-Anziehung. Das Minimum liegt bei r = 2^(1/6) σ ≈ 1,12 σ und hat die Tiefe ε. Mit ε/k_B ≈ 120 K und σ ≈ 0,34 nm beschreibt dies Argon gut.

Jeder Schritt verwendet velocity Verlet: Die Geschwindigkeiten werden mit der Kraft halb beschleunigt, die Atome werden bewegt, die Kräfte werden neu berechnet und die Geschwindigkeiten werden erneut halb beschleunigt. Dadurch bleibt die Energie auch über lange Läufe sehr gut erhalten, weshalb es fast jeder MD-Code verwendet. Ein Thermostat skaliert die Geschwindigkeiten sanft neu, um die Zieltemperatur zu halten.

Die radiale Verteilungsfunktion g(r) beantwortet die Frage: Wenn ich auf einem Atom stehe, wie viel wahrscheinlicher ist es, ein anderes Atom im Abstand r zu finden als in einem gleichmäßigen Gas? Ein Kristall erzeugt scharfe Spitzen bei seinen Gitterabständen; eine Flüssigkeit zeigt eine starke Spitze, einige schwächer werdende Wellen und danach 1; ein Gas liegt jenseits der Wand fast überall nahe bei 1.