創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目結(jié)題案例

1、“創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”資助項(xiàng)目結(jié)題案例（由項(xiàng)目負(fù)責(zé)學(xué)生在項(xiàng)目完成后撰寫，每個(gè)項(xiàng)目提交一份）要求：小四號(hào)字，宋體，單倍行距1）案例特點(diǎn)鮮明，有一定可借鑒性；2）內(nèi)容詳實(shí)，真實(shí)有據(jù)；3）文稿、圖片提供電子版。）研究題目針對(duì)雙金屬納米顆粒體系增強(qiáng)抽樣方法的發(fā)展與應(yīng)用項(xiàng)目名稱1、“國(guó)家創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”2、“北京市創(chuàng)新計(jì)劃”（請(qǐng)?jiān)谙鄳?yīng)的項(xiàng)目名稱下劃“V”）所屬學(xué)科門類化學(xué)立項(xiàng)時(shí)間2017.7結(jié)題時(shí)間2018.10學(xué)生學(xué)號(hào)姓名性別身份證號(hào)院（系）專業(yè)1500017803管浙彬培學(xué)院材料化學(xué)導(dǎo) 師姓名性別年齡院（系）專業(yè)領(lǐng)域職稱/職務(wù)蔣鴻男43化學(xué)與分子工程 學(xué)院化學(xué)研究員案

2、 例 摘 要（500字 以 內(nèi)）本項(xiàng)目的選題背景、目的與意義；項(xiàng)目實(shí)施的初步收獲和體會(huì)分子模擬已經(jīng)是研究一個(gè)體系的常用方法，但是其計(jì)算成本太高，導(dǎo)致其精度往往 達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。因此發(fā)展高效的抽樣方法，是分子模擬的核心問(wèn)題之一。雙金屬納 米顆粒體系有著優(yōu)異的催化性能，其中表面負(fù)載型雙金屬納米顆?？纱呋疌O C02崔化重整等重要反應(yīng)。但體系較復(fù)雜，其穩(wěn)定性相關(guān)的計(jì)算方法有待研究和發(fā)展。本項(xiàng)目計(jì) 劃發(fā)展針對(duì)雙金屬納米顆粒體系的增強(qiáng)抽樣方法并應(yīng)用于具體性質(zhì)的計(jì)算。項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，我學(xué)習(xí)分子模擬相關(guān)的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)， 如隨機(jī)過(guò)程，常微分方程， 統(tǒng)計(jì)物理等，學(xué)習(xí)了基本的分子模擬方法：分子動(dòng)力學(xué)及蒙特卡洛方

3、法，并進(jìn)一步將 umbrella sampling 以及ITS兩種方法與蒙特卡洛方法相結(jié)合，最終獲得了 Ni-Cu雙金 屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并且用增強(qiáng)抽樣方法提高了采樣效率。在課題的進(jìn)行中，我不僅學(xué)到了很多專業(yè)知識(shí)，更獲得了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使我的 數(shù)理計(jì)算機(jī)水平得到很大提升，我也體會(huì)到了科學(xué)研究的艱辛，但更多的是最終得到結(jié) 果時(shí)的欣喜。項(xiàng)目選題的背景（除選題意義以外，應(yīng)著重說(shuō)明學(xué)生對(duì)該項(xiàng)目的自主興趣所在和原先在 該項(xiàng)目上所積累的實(shí)踐基礎(chǔ)和知識(shí)基礎(chǔ)， 400字以內(nèi)）雙金屬納米顆粒催化氣相反應(yīng)一直受到關(guān)注，而納米顆粒的結(jié)構(gòu)在催化過(guò)程中非常重要。 普通的分子模擬方法已經(jīng)廣為使用，增強(qiáng)抽樣方法將分子

4、可以使用的范圍進(jìn)一步推廣， 因此我希望能夠?qū){米顆粒這種復(fù)雜體系發(fā)展增強(qiáng)抽樣方法。例 項(xiàng)目成員的組成、特長(zhǎng)、分工及成員間相互協(xié)調(diào)配合的情況，導(dǎo)師指導(dǎo)情況（400字以正 內(nèi)）（ 項(xiàng)目由本人獨(dú)立完成。（ 相對(duì)擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)。4000每周與導(dǎo)師討論一次，其他時(shí)間通過(guò)微信及郵件交流。項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)與特色（包括使用了什么樣的創(chuàng)新方法、手段、項(xiàng)目的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià) 值等，600字以內(nèi)）對(duì)納米顆粒進(jìn)行蒙特卡洛研究已經(jīng)有所報(bào)道，但很少有報(bào)道將增強(qiáng)抽樣方法應(yīng)用于納米 顆粒的研究。因此我嘗試將相對(duì)傳統(tǒng)的 umbrella sampling 方法以及新型的ITS方法應(yīng) 用于納米顆粒。提高抽樣效率后，能更準(zhǔn)確的模擬納

5、米顆粒的性質(zhì)，并且可以將體系擴(kuò) 大至與實(shí)際顆粒相當(dāng)?shù)拇笮。@不僅有助于研究納米顆粒的催化性質(zhì)，也可以用于研究 納米顆粒的其他性質(zhì)。項(xiàng)目實(shí)施的進(jìn)展情況及初步取得的創(chuàng)新成果（1000字左右） 首先學(xué)習(xí)了基本的分子模擬方法：分子動(dòng)力學(xué)以及蒙特卡洛方法，并且在各種程序上嘗 試用兩種方法進(jìn)行模擬?？紤]到對(duì)于金屬體系，原子結(jié)合較緊密，用分子動(dòng)力學(xué)模擬可 能會(huì)導(dǎo)致只有外層原子運(yùn)動(dòng)，內(nèi)層原子幾乎靜止，浪費(fèi)計(jì)算量，且體系的變化太小，很 難達(dá)到平衡狀態(tài)，因此我考慮用蒙特卡洛方法進(jìn)行模擬。采用蒙特卡洛方法的好處在于 可以采用一些非物理的方法幫助體系達(dá)到平衡，如交換兩原子位置，這用分子動(dòng)力學(xué)幾 乎不可能完成。在勢(shì)能的

6、選擇上，我選用用于金屬體系的 EMT勢(shì)，雖然對(duì)于納米顆粒體系 EMT勢(shì)是否有 效還需要進(jìn)一步的檢驗(yàn)，但是由于目前的主要目標(biāo)在于測(cè)試算法，因此勢(shì)能的選擇可以 相對(duì)寬松，不需要非常精確，能夠保持定性的結(jié)論即可。另外，在每次做完MC移動(dòng)時(shí)，將體系優(yōu)化至最小能量，這相當(dāng)于將體系的勢(shì)能面變成分段常數(shù)，簡(jiǎn)化了勢(shì)能面，并且 與納米顆粒中常用的basin hopping尋找能量極小值的方法相對(duì)應(yīng)。在嘗試了不同程序后，最終采用了 Python中的ase包進(jìn)行模擬，因?yàn)榕cpython相結(jié)合， 因此更方便修改程序的細(xì)節(jié)。對(duì)于結(jié)構(gòu)性質(zhì)的表征，徑向分布可以直接用徑向分布函數(shù)，計(jì)算其中某種原子的比例， 從而考察是否有原子

7、更傾向于在內(nèi)部或外部。對(duì)于角度上的分布，由于體系有球?qū)ΨQ性，因此我們無(wú)法觀察到某個(gè)特殊的朝向，為此我考慮用一種原子的質(zhì)心位置來(lái)表征，若質(zhì) 心位置服從正態(tài)分布，則表明角度上為均勻分布的，否則兩種原子可能會(huì)分相。增強(qiáng)抽樣方法選用umbrella sampling 以及ITS方法。兩種方法都被報(bào)道可以提高模擬 的效率，但是還沒有用于納米顆粒體系。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種方法都可以正確地采樣感興趣的性質(zhì)， Ni-Cu雙金屬顆粒中Ni原子 基本集中在內(nèi)部，而Cu原子分布在表面，在角度上兩種原子均勻分布。而效率上， ITS 方法對(duì)于模擬效率的提升非常明顯，而 umbrella sam pling 沒有明顯的效果

8、。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的收獲與體會(huì)（1500字左右）本研剛開始時(shí)，我對(duì)于分子模擬基本了解很少，只是對(duì)增強(qiáng)抽樣的方法非常感興趣， 因此選擇做這個(gè)課題。經(jīng)過(guò)一年多的學(xué)習(xí)，從知識(shí)上說(shuō)，我學(xué)習(xí)了分子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡洛，基本掌握了分 子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡洛方法的原理，并且通過(guò)學(xué)習(xí)隨機(jī)過(guò)程相關(guān)的知識(shí)，對(duì)蒙特卡洛方法 有了更深的理解。通過(guò)增強(qiáng)抽樣方法的學(xué)習(xí)，我了解到更前沿的方法，學(xué)到了處理分子 模擬的基本技巧。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)物理是分子模擬的基礎(chǔ)，通過(guò)學(xué)習(xí)分子模擬，我也對(duì)正則 系綜理論有了更深的認(rèn)識(shí)。相對(duì)于知識(shí)，我收獲更多的是經(jīng)驗(yàn)。課本上，文獻(xiàn)上給出的公式和算法與實(shí)際呈現(xiàn) 的代碼完全是兩回事。例如 umbrella sam

9、pling 中高斯勢(shì)的大小，位置以及標(biāo)準(zhǔn)差的選 取都需要憑借經(jīng)驗(yàn)選取，ITS方法中需要先調(diào)整能量零點(diǎn)等，這些都是沒有出現(xiàn)在文獻(xiàn) 上，但是對(duì)于程序非常重要的問(wèn)題。另外，除了算法的學(xué)習(xí)之外，我在編程水平上也得 到很大提高。真正的程序中有許多細(xì)節(jié)的問(wèn)題需要注意，小到隨機(jī)數(shù)的生成，大到代碼 的結(jié)構(gòu)，甚至修改內(nèi)存溢出的問(wèn)題，都需要我去實(shí)踐和落實(shí)。通過(guò)不斷修改代碼，我學(xué) 到了 debug的技巧，對(duì)于python的使用也更加熟練。另外，使用linux系統(tǒng)中的軟件, 以及在超算上運(yùn)行任務(wù)也為我以后的研究打下基礎(chǔ)。如何通過(guò)微觀性質(zhì)表征納米顆粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這一點(diǎn)在課本，文獻(xiàn)上都鮮都提到， 不同的體系也需要關(guān)注不同

10、的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此表征徑向以及角向分布的方法我沒有可以 依據(jù)的現(xiàn)成方法，必須自己嘗試。最終我選出了幾種較為有效的表征方法。雖然這不是 非常困難的問(wèn)題，但是這種從零開始嘗試的經(jīng)驗(yàn)讓我受益匪淺。本研期間給我感觸最大的就是我在代碼水平上的不足，由于對(duì)linux系統(tǒng)不熟悉，一開始安裝軟件就失敗了很多次，系統(tǒng)的各種指令我也不熟悉，導(dǎo)致工作效率非常低。 最終我的程序是用python編寫的，因?yàn)槲也涣?xí)慣寫函數(shù)和類，導(dǎo)致代碼冗余很多，經(jīng)常 出問(wèn)題，改一個(gè)bug要很長(zhǎng)時(shí)間。如果我的編程水平高一些，本研進(jìn)度會(huì)快很多。這也 是我現(xiàn)在不斷提高編程能力的動(dòng)力。另外，我感覺認(rèn)識(shí)算法的數(shù)學(xué)本質(zhì)很重要，一開始學(xué)習(xí)分子模擬的時(shí)候

11、，看分子動(dòng) 力學(xué)和蒙特卡洛感覺很簡(jiǎn)單，也有現(xiàn)成的程序可以使用，就沒有計(jì)較背后的數(shù)學(xué)原理。 但是當(dāng)我要開始用自己的程序，就發(fā)現(xiàn)效率很低，常常會(huì)卡在一些地方。后來(lái)學(xué)了數(shù)值 分析之后，知道分子動(dòng)力學(xué)就是常微分方程的數(shù)值解， 蒙特卡洛就是馬爾科夫鏈的收斂， 感覺一下子領(lǐng)悟到了本質(zhì)，在寫程序就感覺思路貫通。另外數(shù)學(xué)知識(shí)還有助于理解實(shí)驗(yàn) 結(jié)果，如為什么收斂速度是指數(shù)而不是反比，這就需要隨機(jī)過(guò)程的知識(shí)。不過(guò)雖然數(shù)學(xué)重要，但是在增強(qiáng)抽樣算法的設(shè)計(jì)中，起關(guān)鍵作用的還是物理思想， 增強(qiáng)抽樣算法的思想都是有物理依據(jù)的，而不是憑空產(chǎn)生的，例如提高體系溫度，降低 某些勢(shì)壘等。因此僅僅會(huì)數(shù)學(xué)并不夠，還需要結(jié)合物理上的想法才能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和突破。我還體會(huì)到，真正的研究并不會(huì)按照自己在開始時(shí)預(yù)期的想法發(fā)展，本研過(guò)程中我 遇到了很多意想不到的困難，例如內(nèi)存溢出，體系熔化，力場(chǎng)不完善等問(wèn)題。這些都是 我在開始課題時(shí)沒有想到的，這逼迫我去