J-OCTA跨尺度分子模拟为材料设计提供尖端技术支持

 一、跨尺度分子动力学软件J-Octa

计算物理学作为探索微观和纳观世界的规律方法，使研究人员更加细微的掌握复杂材料特性和现象，而这些现象是无法通过实验结果获得的。

J-Octa作为一款跨尺度分子动力学软件能够实现从本质上理解材料组分与性能间的关系。更能从原子级到微米级的范围内对橡胶、塑料、薄膜、涂料及电解质材料等的开发所需的材料特性进行预测。J-Octa通过在共享平台上与面向各尺度开发的模拟器合作，为材料设计与新材料开发提供最尖端的技术支持  



（图1：软件架构） J

-Octa作为计算软件优于其他软件的地方在于J-OCTA中所有输入数据和计算结果都对用户开放，便于定制运算。J-Octa通过开源多尺度仿真平台用UDF文本传递数据、利用并行求解器+功能扩展及外部扩展器解析，将所有所有功能集成到GUI界面中，为用户使用提供了较大便利。

（图2：离子液体的MD模拟）

 

（图3：全原子及粗粒化模型示意图）

二、J-Octa作为模拟分析软件的具体应用

1、高分子的交联结构模拟

（1）利用J-OCTA/ VSOP，模拟DGEBA、44DDS交联为环氧树脂的过程（如图4）  

（图4，Ref: T. Okabe,“Atomistic simulation of curing and mechanical properties of Epoxy resin”, J-OCTA Users Conference 2014）  

（2）弹性模量的模拟（如图5）  

（图5，Ref: V. Sundararaghavan, A. Kumar, International Journal of Plasticity, 47, 111 (2013)）

• NPT系综、伸长率为10.22m/s

• 施加5%应变，拟合应力-应变曲线得到弹性模量

• 模拟得到的弹性模量:4.22GPa(实验值:3.76GPa)  

2. 机器学习（如图6）



（图6）  

3. 代表性体积单元（RVE）µ-FEM（如图7）

从分散相到STL界面或体素网格

从分散填料到STL或位置信息

（图7）

4. 分散相结构

• 非线性结构分析：采用J-OCTA获得橡胶、树脂的相分离（如图8、9）  

（图8）  

（图9）

5. 粗粒化（CG）模型的典型案例（如图10）

• 具有交联结构的橡胶

• 交联、填料-聚合物作用的影响



（图10：左图为无交联网络、不同变形速度下的应力应变曲线；右图为存在交联网络（变形速度为0.001）的应力应变曲线）

6. 循环拉伸变形下的填充橡胶模拟

（1）从形态学（Morphology）的角度讨论动态响应差异的来源（如图11）

（图11，数据来源：）  

（2）滞后机理（如图12）

 

（图12，数据来源：）

7. 缠结熔体聚合物的动力学行为（如图13）

（图13）

审核编辑：刘清