[论文解读] Open Systems out of Equilibrium: Theory and Simulation

Roya Ebrahimi Viand, Felix Höfling+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 51被引用 5

一句话总结

本文通过将自适应分辨率模拟（AdResS）方法与非平衡开放系统的Bergmann-Lebowitz（BL）理论框架对齐，提出了一种非平衡扩展版本。通过在热梯度下对具有开放边界的Lennard-Jones流体进行模拟，该方法在密度、温度和热通量的稳态分布上与全原子模拟结果高度一致，验证了AdResS作为一种计算高效、可靠的非平衡分子动力学模拟方法的可行性。

ABSTRACT

We consider the theoretical model of Bergmann and Lebowitz for open systems out of equilibrium and translate its principles in the adaptive resolution molecular dynamics technique (AdResS). We simulate Lennard-Jones fluids with open boundaries in a thermal gradient and find excellent agreement of the stationary responses with results obtained from the simulation of a larger, locally forced closed system. The encouraging results pave the way for a computational treatment of open systems far from equilibrium framed in a well-established theoretical model that avoids possible numerical artifacts and physical misinterpretations.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效且物理一致的方法，用于模拟远离平衡态的开放分子系统。
• 弥合开放系统理论模型（Bergmann-Lebowitz）与实际分子动力学模拟之间的差距。
• 通过与大规模系统的全原子模拟对比，验证AdResS方法在非平衡条件下的表现。
• 实现以更低计算成本研究软物质和纳米尺度系统中的复杂非平衡现象。
• 提供一种可迁移的框架，用于模拟复杂环境中的质量与能量通量，包括粒子-连续相耦合。

提出的方法

• 通过引入热梯度并采用基于热浴的设置（包含示踪粒子、热浴和热力学力），将AdResS方法扩展至非平衡条件。
• 系统被划分为三个区域：原子区域（AT）、带热浴和单粒子力的Δ区域（Δ），以及代表热源的示踪粒子区域（TR）。
• 热力学力F_th(r) 由平衡AdResS模拟推导得出，确保AT区域满足正确的统计力学条件。
• 通过D-NEMD方法计算非平衡平均值，使用未关联的平衡轨迹作为初始条件，对施加了热梯度的NEMD模拟进行初始化。
• 热通量通过标准表达式计算，涉及控制体积内粒子能量、应力张量和速度。
• 该方法利用哈密顿动力学并结合GPU加速，以保证数值稳定性并支持长时间积分。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与Bergmann-Lebowitz理论模型对齐时，AdResS方法能否准确模拟非平衡态下的开放系统？
• RQ2 AdResS设置在热梯度下对密度、温度和热通量的稳态分布的再现能力，与全原子模拟相比如何？
• RQ3 热力学力和热浴在维持非平衡AdResS设置中的物理一致性方面起到何种作用？
• RQ4 该方法能否可靠模拟具有强可压缩性和高压强的系统，如超临界流体？
• RQ5 AdResS-AdResS框架在多大程度上可推广至涉及质量与能量通量的其他非平衡现象？

主要发现

• 在热梯度下采用开放边界的AdResS设置，其在AT区域的稳态密度、温度和热通量分布与全原子模拟结果高度一致，定量吻合良好。
• Δ区域的温度分布靠近Δ/TR边界处存在微小偏差，但该偏差在Δ区域内迅速松弛，表明热平衡有效建立。
• 对于密度ρ̄ = 0.3 σ⁻³、温度T̄ = 1.5 k_B/ε、ΔT = 0.2 k_B/ε的超临界Lennard-Jones流体，该方法与参考模拟保持高度一致，证实其在不同流体状态下的鲁棒性。
• 推导出的热力学力F_th(r)满足开放系统条件，已在补充材料中验证，确保理论一致性。
• 该方法可在显著降低计算成本的前提下，准确模拟非平衡现象，避免了固定尺寸NEMD模拟中常见的伪影。
• 该框架提供了一种可迁移、通用的非平衡开放系统建模方法，适用于未来在粒子-连续相耦合及复杂分子环境中的应用。