LAMMPS初始结构原子重叠导致能量过高如何解决？

Question

在使用LAMMPS进行分子动力学模拟时，常因初始结构中原子间距过小或存在原子重叠，导致体系势能急剧升高，引发模拟崩溃。该问题多源于建模过程中原子坐标处理不当，如晶体结构拼接、随机掺杂或构建界面模型时未充分优化几何构型。如何有效避免原子重叠并合理弛豫初始结构，成为确保模拟稳定启动的关键技术难题。

Answer 1

如何避免LAMMPS模拟中因原子重叠导致的势能发散问题

1. 问题背景与现象分析

在使用LAMMPS进行分子动力学（MD）模拟时，初始结构中原子间距过小或存在原子重叠是常见但致命的问题。此类问题通常出现在以下建模场景：

• 晶体结构拼接形成超胞或异质界面
• 随机掺杂引入替代原子或间隙原子
• 构建纳米颗粒、表面吸附或多相复合材料模型
• 从非平衡结构（如实验数据或粗粒化模型）导入坐标

当两个原子之间的距离小于其范德华半径之和或共价键长下限时，所选力场（如Lennard-Jones、Buckingham、EAM等）会计算出极高的排斥势能，导致初始力过大，积分器无法收敛，从而引发模拟立即崩溃。

2. 原子重叠检测方法

为定位潜在冲突，应在调用LAMMPS前进行预检查。常用策略包括：

1. 编写Python脚本遍历所有原子对，计算欧氏距离并对比阈值
2. 利用ASE（Atomic Simulation Environment）中的get_distances()函数快速筛查
3. 在VMD或Ovito中可视化近邻原子分布，识别异常聚集区域

原子类型组合	最小安全距离 (Å)	典型力场参考
Si-Si	2.0	EAM
C-C	1.4	AIREBO
O-H	0.9	TIP4P
Na-Cl	2.3	CHARMM
Fe-Fe	2.1	MEAM
N-N	1.3	ReaxFF
Al-Al	2.5	Stillinger-Weber
Mg-O	1.8	Buckingham
Cu-Cu	2.2	EAM
H-H	0.7	LJ

3. 几何构型优化流程设计

合理的结构弛豫流程可显著降低初始能量。推荐采用分阶段能量最小化策略：

# LAMMPS输入脚本片段：多阶段弛豫
min_style cg
minimize 1.0e-6 1.0e-8 1000 10000

# 阶段一：固定边界，仅弛豫内部原子
fix 1 all freeze 1 1 1
minimize 1.0e-8 1.0e-10 2000 20000
unfix 1

# 阶段二：全体系弛豫
min_style fire
minimize 1.0e-9 1.0e-11 5000 50000

4. 智能建模与自动避碰算法

高级建模应集成自动排斥机制。例如，在随机掺杂过程中加入“回溯-重试”逻辑：

1. 生成候选原子位置
2. 查询KDTree获取k近邻原子
3. 若任意距离 < 安全阈值，则拒绝插入
4. 否则接受并更新空间索引

此方法可保证构建过程本身即满足几何合理性。

5. 多尺度预弛豫技术整合

对于复杂界面系统，单一能量最小化可能陷入局部极小。建议结合以下手段：

• 使用Gaussian或VASP进行DFT级初态优化（小模型）
• 将结果外推至大体系作为LAMMPS初始构型
• 采用NVT/NPH系综逐步升温并持续弛豫

6. 可视化与自动化监控流程图

graph TD A[构建初始结构] --> B{是否存在重叠?} B -- 是 --> C[运行原子距离筛查脚本] B -- 否 --> D[导入LAMMPS] C --> E[调整坐标/删除重复原子] E --> F[执行多阶段能量最小化] F --> G[检查力与能量收敛] G --> H[启动NVE/NVT模拟] H --> I[持续监控温度/压力/势能]