分子動力學在納米機械加工技術中的應用
科技專論
作者：劉援農
【摘要】分子動力學是在進行物質的分子或原子的計算機模擬時最常用的一種方法，是模擬的基本方法。通過分子動力學的模擬研究，可以得到原子在尺度上的材料以及對其演化的可行性分析，這種分析是具有無先例的準確性的，讓性能預測與材料設計成為可能。本文通過分析分子動力學的算法及其模擬原理，研究了分子動力學在納米機械加工中的應用。
【關鍵詞】分子動力學；納米機械加工；應用
分子動力學在英文上被稱為Molecular Dynamics，指的是一種科學的計算方式。這種計算方法主要是用於液體、氣體以及固體的分子運動過程。這種計算是一種研究分子運動過程中產生的現象與其本質之間關係的計算機模擬方式，也可以用於探索分子運動的新規律，從而應用於機械加工中去。這種計算方式具有對微觀結構與宏觀特性的溝通作用，能夠有效解釋通過實驗觀察與理論分析難以理解的一些現象。現如今，分子動力學已經成功應用與摩擦學、材料學、化學與物理學，在納米機械加工領域也同樣有所作為。
一、分子動力學在納米機械加工中的意義與原理
納米機械加工是在0.1-100納米的空間內，對物質的原子與分子進行操作，進行機械材料的加工工作，以此來製造一些具有特定功能的產品，是一種高新製造技術。在納米切削加工過程中，都是在極小的區域內進行的，這個區域通常隻包含了幾個至幾百個原子層。這種切削的過程本身就是一種原子的被動離散現象，其切削的對象應該被看作是分子或是原子的一個集合。這種極小微粒的切削是不適應於傳統技術的，傳統連續介質力學並不能夠對原子甚至分子進行有效切削，無法有效達到研究的目的。因此必須要采用分子動力學來研究分析納米加工的整個過程。
要想讓納米機械加工技術更具穩定性，就要從根本上在觸痛方式中的切削極限上想辦法，力求讓其切削結果最小化。切削實驗一般都是在精密的機床上進行的，對納米的切割主要是通過金剛石車刀來完成的。這種通過分子動力學完成的切削能夠很大程度的減小原有的切削極限。但是這種方式也存在著一定的弊端，在精度上不能夠保證其準確範圍，並且對於切削表麵的去除機理之類的問題在院裏方麵尚未明確。
納米在加工過程中，其狀態是不可控製的。並且對切削過程的觀察具有一定限製性，因此在實驗過程中分析與計算方麵難免會出現一些誤差。但使用分子動力學之後，由於是模擬狀態下進行的，因此可以有效避免絕大部分的誤差，提高實驗結果的準確性。通過分子動力學來建立的納米加工的原子模型，是由其邊界的恒溫層原子、牛頓原子、邊界原子組成的。刀具在切割時，刀具的粒子與材料的粒子之間會產生相互的作用力，這種作用力可以運用函數的方法來計算。這些粒子由於都屬於經典粒子，所以它們的量子效應可以被忽略不計，因此其運動方程也能夠更容易的被建立。
在求出運動方程的解之後，可以得到刀具粒子對材料粒子產生的位移長度以及讓材料粒子產生運動的速度，然後通過仿真實驗得出粒子運動的軌跡。通過實驗研究，就能夠對材料在機加工方麵產生的變化做出符合原理的解釋。依據仿真研究，還能夠了解被加工材料的一些性質，以及一些加工工藝會對材料表麵的影響程度。從仿真研究的結果分析能夠得出結論，並將結論用來指導納米的加工工作，讓納米技術能夠更加穩定的應用於精度加工中。
由此可見，納米機械加工技術的根本理論基礎就是分子動力學，這種加工技術的應用能夠為機械超精密加工工藝帶來一場革命，並且能夠極大程度的推動納米加些加工技術的研究成果。