使用UMD软件包分析从第一性原理分子动力学模拟中获得的熔体和流体

第一性原理分子动力学模拟的分析使我们能够准确预测流体的物理和化学性质。该方法可应用于物理和化学中的任何原子级分析。首先，使用该软件包中的一个或多个专用 Python 脚本提取每组特定的物理性质。

在命令行中运行所有脚本。这些脚本均使用一系列参数标志，且尽可能在不同脚本之间保持一致。将基于第一性原理代码进行的分子动力学模拟结果转换为 UMD 文件，然后将 umd 文件转换为 xyz 文件，以便在 VMD 或 VESTA 等多种其他软件中进行可视化。

使用 umd2poscar.py 脚本将 UMD 文件反向转换为 VASP 类型的 POSCAR 文件，并按预定义的频率选取模拟的快照。运行 gofrs_umd。

用于计算所有原子类型 A 和 B 之间对分布函数的 Python 脚本。输出结果写入一个以制表符分隔的 ASCII 文件，扩展名为 gofrs.dat。通过提取对分布函数的第一个最大值位置，获得第一配位层的平均原子间键长。为此，可通过绘制 gofrs 图来确定对分布函数第一个极大值的位置。

在电子表格应用程序中打开 dat 文件，查找每对原子的最大值和最小值，然后使用电子表格软件将 PDF 的第一个极小值确定为第一配位层的半径。运行物种分布脚本以获得连接矩阵，并获取配位多面体或聚合度。运行 speciation_umd。

运行 speciation_umd.py 脚本并使用标志 r0，该标志在第一层级上采样连接性图以识别配位多面体。运行 speciation_umd.py 脚本并使用标志 r1，该标志在所有深度层级上采样连接性图以获得聚合状态。

根据模拟中发现的所有化学物种的原子簇寿命，利用 papule.dat 文件中的数据绘制其寿命图。提取原子均方位移（MSD）随时间的变化关系，以获得自扩散系数，然后使用 msd_umd 系列文件计算均方位移。

使用 py 脚本计算每种原子类型的平均均方位移（MSD）。分别计算每个原子及化学物种的 MSD。利用基于电子表格的软件绘制 MSD 曲线，并通过 MSD 曲线的斜率计算扩散系数。

运行 vibr_spectrum_umd.py 脚本，计算每种原子类型的原子速度-速度自相关函数（VAC），并对其进行快速傅里叶变换。根据 vibr 数据绘制振动谱。

使用类似电子表格的软件打开 dat 文件。识别在有限频率下谱图各峰处流体扩散特性的对应值，即角频率 ω 等于零时的有限值。进行平均运算。

运行 py 脚本，从 UMD 文件中提取压力、温度、密度和内能的平均值及其离散程度。最后，运行 full_averages.py 脚本，进行完整的统计分析，包括平均值的误差计算。

辉石岩是一种多组分硅酸盐熔体模型，最接近整个硅酸盐地球的组成。采用UMD软件包提取了熔融辉石岩的若干特征。硅-氧原子对分布函数的峰值位于1.635埃，这是对键长的最佳近似。

以该距离作为硅-氧键的界限，种态分析表明，正硅酸盐单元在熔体中占主导地位，可持续数皮秒之久。熔体中有相当一部分表现出部分聚合特征，这体现在存在如二硅酸盐类的二聚体以及如Si3Ox类的三聚体。它们相应的寿命也在皮秒量级。

高级聚合物的寿命均显著较短。垂直步长和水平步长的不同取值可得到均方位移（MSD）的多种采样结果。即使较大的Z和V值也足以确定斜率，从而确定不同原子的扩散系数。

对于较大的 Z 和 V 值，后处理时间会显著增加。最后，原子速度自相关函数可得到熔体的振动光谱。此处展示了镁、硅和氧原子的贡献，以及总和值。在执行本方案时，务必检查收敛性。

务必确保原子轨迹足够长，以便恰当地捕捉到您感兴趣的现象。该技术涵盖对模拟结果的后处理。模拟及其分析必须并行进行。