煤炭結構具有高度復雜性、組分強烈非均質性以及形成過程的多變性，傳統(tǒng)實驗手段難以揭示其深層的微觀機制。分子模擬作為一種可借助計算機技術追蹤原子、分子動態(tài)行為的計算方法，已成為材料科學、化學工程及能源研究等領域的強大工具。本書系統(tǒng)介紹了用于煤分子模擬的ReaxFF反應力場（Coal-FF力場）在開發(fā)過程中的探索和實踐。結合深度學習框架PyTorch和GPU并行計算技術，開發(fā)了高效ReaxFF力場參數(shù)優(yōu)化程序，顯著提升了參數(shù)優(yōu)化的速度和精度；通過大規(guī)模量子化學計算，構建了高精度的訓練集，并以此為基礎成功參數(shù)化了Coal-FF力場；此外，還對新開發(fā)的Coal-FF力場進行了全面的驗證，包括對幾何結構和能量的重現(xiàn)能力以及在分子動力學模擬中的表現(xiàn)。希望通過本書與同行分享在煤炭ReaxFF反應力場開發(fā)方面的經(jīng)驗和技術，為煤分子模擬領域的研究者提供有益的參考和工具。
本書適合煤化學化工、礦業(yè)、計算材料學、分子模擬等相關領域的科研人員和學生閱讀，也可為行業(yè)上下游研發(fā)和生產提供指導和參考。
張志強，太原理工大學教授，博士生導師。有二十余年的量子化學和分子模擬專業(yè)經(jīng)驗，長期致力于煤分子結構的檢測和模型構建工作，首次構建了中國西山煙煤和晉城無煙煤的大尺度分子結構模型，這些模型包含多樣且具有連續(xù)分子量分布的煤分子，與實驗獲得的結構參數(shù)相符度高，相比以往構建的平均分子模型，能更好的體現(xiàn)煤的結構特征和行為。研究過程中，先后開發(fā)了煤的HTREM圖像分析軟件VirtualFringe、煤結構建模軟件VirtualCoal和Fullrmc-LammpsCoupling、ReaxFF反應力場參數(shù)優(yōu)化軟件Torch-ReaxFF，在Energy&Fuels等專業(yè)期刊發(fā)表相關論文多篇，并出版了專著《煤的分子結構表征與建�！�。
第1章 煤分子模擬力場概論001
1.1 分子模擬在煤炭科學研究中的重要性002
1.1.1 揭示煤炭的微觀結構與組成002
1.1.2 研究氣體吸附與儲層性能002
1.1.3 探索熱解與燃燒過程的分子機制003
1.1.4 分析煤的力學性能與變形行為003
1.2 現(xiàn)有分子模擬力場簡介003
1.2.1 勢能函數(shù)004
1.2.2 常見力場種類006
1.3 分子力場參數(shù)計算方法011
1.3.1 基于實驗數(shù)據(jù)的擬合方法011
1.3.2 基于量子化學計算的方法012
1.3.3 力場參數(shù)擬合軟件013
1.4 不同分子力場在煤炭研究中的應用014
1.4.1 非反應力場014
1.4.2 反應力場015
1.4.3 模擬力場比較016
參考文獻018
第2章 煤分子ReaxFF 力場訓練集分子選擇023
2.1 煤的分子結構特點024
2.1.1 煤分子結構化學研究方法024
2.1.2 煤分子結構儀器研究方法025
2.2 煤的分子結構模型035
2.2.1 煤平均分子結構模型035
2.2.2 大尺度煤結構模型038
2.3 煤反應力場訓練集分子組成039
2.3.1 訓練集分子選擇依據(jù)039
2.3.2 訓練集分子組成040
2.3.3 訓練集分子選擇可行性043
參考文獻044
第3章 煤分子ReaxFF 力場訓練集數(shù)據(jù)計算050
3.1 量子化學方法簡介051
3.1.1 分子軌道理論051
3.1.2 密度泛函理論053
3.1.3 基函數(shù)058
3.1.4 贗勢方法060
3.1.5 范德華力矯正061
3.2 計算軟件062
3.2.1 Gaussian 062
3.2.2 Quantum ESPRESSO 065
3.3 DFT 基準數(shù)據(jù)集制備069
3.3.1 計算方法與參數(shù)設置069
3.3.2 DFT基準數(shù)據(jù)集組成074
參考文獻077
第4章 煤分子ReaxFF 力場參數(shù)優(yōu)化程序設計080
4.1 ReaxFF 反應力場081
4.1.1 ReaxFF反應力場特征081
4.1.2 ReaxFF反應力場函數(shù)形式082
4.2 深度學習094
4.2.1 從機器學習到深度學習094
4.2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡095
4.2.3 深度學習框架100
4.2.4 PyTorch 101
4.3 GPU 加速技術103
4.3.1 引言103
4.3.2 GPU 計算架構104
4.3.3 GPU 在深度神經(jīng)網(wǎng)絡中的作用104
4.3.4 GPU 加速實踐106
4.4 ReaxFF 反應力場參數(shù)優(yōu)化程序設計107
4.4.1 引言107
4.4.2 程序架構108
4.4.3 數(shù)據(jù)預處理模塊115
4.4.4 勢能計算模塊128
4.4.5 參數(shù)優(yōu)化模塊130
4.4.6 程序特點134
參考文獻135
第5章 煤分子ReaxFF 力場參數(shù)化137
5.1 力場訓練文件138
5.1.1 訓練集構建138
5.1.2 初始力場文件138
5.1.3 參數(shù)文件139
5.2 煤分子ReaxFF 反應力場優(yōu)化實踐139
5.2.1 程序運行準備139
5.2.2 程序性能142
5.2.3 力場參數(shù)化145
參考文獻146
第6章 煤分子ReaxFF 反應力場驗證148
6.1 分子結構優(yōu)化方法149
6.1.1 單純型法149
6.1.2 直線搜尋法150
6.1.3 最速下降法150
6.1.4 共軛梯度法151
6.1.5 牛頓-拉普森法151
6.1.6 BFGS法152
6.1.7 L-BFGS法152
6.2 分子動力學計算原理154
6.2.1 發(fā)展歷史154
6.2.2 基本思想155
6.2.3 積分方法155
6.2.4 邊界條件159
6.2.5 非鍵相互作用處理160
6.2.6 分子動力學統(tǒng)計系綜163
6.2.7 計算流程170
6.2.8 第一性原理分子動力學172
6.3 LAMMPS 軟件176
6.3.1 概述176
6.3.2 核心特性與功能177
6.3.3 應用領域178
6.3.4 輸入腳本文件179
6.3.5 data數(shù)據(jù)文件181
6.4 DFT 擬合數(shù)據(jù)驗證185
6.4.1 幾何結構擬合能力185
6.4.2 能量曲線擬合能力189
6.5 Coal-FF 力場泛化能力驗證193
6.5.1 幾何結構驗證193
6.5.2 能量曲線驗證195
6.6 分子動力學模擬197
6.6.1 煙煤體系197
6.6.2 無煙煤體系198
參考文獻200
附錄一 Coal-FF ReaxFF 反應力場參數(shù)202
附錄二 Coal-FF 力場對DFT 數(shù)據(jù)的還原能力209
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