Интерактивная симуляция молекулярной динамики Леннард-Джонса: наблюдайте фазовые переходы, кристаллизацию и газ-жидкость-твёрдое тело, регулируя температуру и параметры взаимодействия
Потенциал Леннард-Джонса V(r) = 4ε[(σ/r)¹² - (σ/r)⁶] моделирует взаимодействие между нейтральными атомами или молекулами. Член r⁻¹² представляет короткодействующее отталкивание Паули, а член r⁻⁶ описывает дальнодействующее притяжение ван-дер-Ваальса. Параметры: ε задаёт глубину потенциальной ямы, σ — расстояние, где V = 0. Равновесное расстояние r_min = 2^(1/6)σ ≈ 1.122σ, где V = -ε.
При низкой температуре (T* = kT/ε ≪ 1) частицы образуют гексагональную плотноупакованную кристаллическую решётку. При температуре выше точки плавления (T* ≈ 0.7) тепловая энергия преодолевает связь решётки — жидкая фаза. При высокой температуре (T* > 2) частицы движутся так быстро, что притяжение почти не имеет значения — газовая фаза. Тройная точка при T* ≈ 0.694, критическая точка при T* ≈ 1.326.
Материаловедение: МД-симуляции предсказывают свойства материалов из первых принципов. Физика благородных газов: потенциал LJ точно описывает поведение Ar, Kr и Xe. Сворачивание белков: крупнозернистые модели используют потенциалы типа LJ для гидрофобных взаимодействий. Нанотехнологии: МД-симуляции проектируют наночастицы и нанотрубки.
Главный холст показывает 2D МД-симуляцию частиц Леннард-Джонса. Частицы окрашены по кинетической энергии (синий=холодные, красный=горячие). Линии между близкими частицами обозначают соседей (расстояние < 1.5σ). Используйте температуру для управления термостатом — низкая T даёт кристаллы, высокая T даёт газ. Начните с пресета Кристалл.