Cu熔化与凝固：分子动力学模拟揭示冷却速率影响

"Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟——黄维，梁工英" 本文基于嵌入原子方法（Embedded-Atom Method, EAM）作用势，通过分子动力学模拟来研究铜（Cu）的熔化和凝固过程。分子动力学是一种计算方法，它使用牛顿运动定律来追踪大量粒子的运动，从而揭示微观尺度上的物质行为。EAM势函数是模拟金属系统常用的一种势能模型，它可以描述原子间的相互作用，包括键合和非键合效应。 黄维和梁工英的研究关注的是冷却速率对液态铜凝固过程的影响。他们发现，当冷却速率较快时，铜会形成非晶态固体，而非晶态通常具有无规则的原子排列，不同于晶体的周期性结构。相反，当冷却速率较慢时，铜能够形成有序的晶体结构，这表明缓慢的冷却过程有利于原子的有序排列，从而得到更稳定的晶体。 在模拟过程中，研究者分析了几个关键参数的变化，包括偶分布函数（pair distribution function）、单个原子的平均能量（mean energy of single atom）以及均方位移（mean squared displacement, MSD）。偶分布函数是理解物质结构的重要工具，它描述了原子间距离的概率分布，可以揭示固体、液体和气体的不同特征。平均能量则反映了系统的热状态，而均方位移则用于量化原子的运动程度，有助于理解物质从液态到固态转变的动态行为。 根据他们的模拟结果，冷却速率对凝固过程的影响显著。冷却速率越慢，达到结晶的温度越高，这意味着原子有更多的时间找到最稳定的排列方式，因此形成的晶体结构更加完善且稳定。这一发现对于理解和控制金属材料的制备工艺，特别是通过快速冷却获得非晶态材料，具有重要的科学价值和潜在的应用意义。 这篇论文通过分子动力学模拟揭示了铜的熔化与凝固过程中的微观机制，并强调了冷却速率在决定最终材料形态中的关键作用。这对材料科学，尤其是金属合金的设计和加工提供了理论支持，同时也为优化材料性能提供了新的视角。