爲了微觀模拟體(tǐ)系能夠反映宏觀實驗現象， 需要通過周期性邊界條件對模拟對象體(tǐ)系進行周期性複制， 以避免在實際中(zhōng)并不存在的邊緣效應(edge effects)。原則上，對于任何分(fēn)子體(tǐ)系的理論研究都需要求解含時薛定谔方程。但在實際工(gōng)作中(zhōng)，更關注的是原子核的運動軌迹，這樣的軌迹可以利用波恩-奧本海默近似(Born-Oppenheimer approximation)，通過求解經典力學運動方程獲得。Alder和Wainwright曾表示計算機模拟實驗會成爲聯系宏觀實驗現象和微觀本質的重要橋梁，在他們首次進行分(fēn)子動力學模拟實驗之後10 年，法國物(wù)理學家Verlet提出了一(yī)套牛頓運動方程的積分(fēn)算法，與此同時提出的還有另一(yī)套産生(shēng)和記錄成對近鄰原子的算法，從而大(dà)大(dà)簡化了原子間相互作用的計算。這兩種算法至今仍以一(yī)些變形的形式在實踐中(zhōng)被廣泛應用[1，2]。
過去(qù)幾十年開(kāi)發了多種原子級模拟方法，包括晶格靜力學、晶格動力學、蒙特卡羅和分(fēn)子動力學等。其中(zhōng)，分(fēn)子動力學特别适用于塑性變形的研究，它通過一(yī)些規定的原子間相互作用勢函數的原子相互作用系統的牛頓方程的解，研究變形過程中(zhōng)的實時行爲，并包括晶格的非簡諧性、内應力的高度不均勻，以及系統的瞬态響應等方面的影響。
分(fēn)子動力學主要依靠牛頓力學來模拟分(fēn)子體(tǐ)系的運動，以在由分(fēn)子體(tǐ)系的不同狀态構成的系統中(zhōng)抽取樣本，從而計算體(tǐ)系的構型積分(fēn)，并以構型積分(fēn)的結果爲基礎進一(yī)步計算體(tǐ)系的熱力學量和其他宏觀性質。它對原子核和電(diàn)子構成的多體(tǐ)系統，求解運動方程，是一(yī)種能夠解決大(dà)量原子組成的系統動力學問題的計算方法，不僅可以直接模拟物(wù)質的宏觀演變特性，得出與試驗結果相符合或相近的計算結果，還可以提供微觀結構、粒子運動以及它們和宏觀性質關系的明确圖像，從而爲新的理論和概念的發展提供有力的技術支撐。
分(fēn)子動力學的對象是一(yī)個粒子系統，系統中(zhōng)的原子間的相互作用用勢函數來描述，因此，正确選擇勢函數的類型及其參數，對于模拟的結果優劣具有重要作用。勢能函數在大(dà)多數情況将描述分(fēn)子的幾何形變最大(dà)程度地簡化爲僅僅使用簡諧項和三角函數來實現；而非鍵合原子之間的相互作用，則隻采用庫侖相互作用和Lennard-Jones 勢相結合來描述。其中(zhōng)，對于原子間相互作用力的描述通常是經驗或半經驗的，這樣雖然能夠提高計算效率，但無法完全揭示電(diàn)子鍵合的多體(tǐ)性質，尤其對于缺陷附近與自身結構和化學性有關的複雜(zá)自洽變分(fēn)函數。Daw和Baskws的EAM（Embedded-atom model）勢函數在某種程度上融合了電(diàn)子鍵合的多體(tǐ)性質，将系統的總勢能表示爲：
式中(zhōng)：Fi是原子i的嵌入能函數；ρi是除第i個原子以外(wài)所有原子在i處産生(shēng)的電(diàn)子雲密度之和；Φij是第i個原子與第j個原子之間的對勢作用函數；rij是第i個原子與第j個原子之間的距離(lí)[1]。
勢函數的可靠性主要取決于力場參數的準确性，而力場參數可以通過拟合實驗觀測數據和量子力學從頭算數據得到。目前在生(shēng)物(wù)大(dà)分(fēn)子體(tǐ)系模拟中(zhōng)使用最爲廣泛的分(fēn)子力場是CHARMM力場和AMBER力場，是早期研究生(shēng)物(wù)大(dà)分(fēn)子的分(fēn)子力場。現有的力場參數仍在不斷優化之中(zhōng)，并且涵蓋的分(fēn)子類型也在不斷擴大(dà)。粗粒化(coarse-grained)模型在計算生(shēng)物(wù)物(wù)理研究中(zhōng)越來越引起人們的關注，由于在該模型中(zhōng)定義了粗粒化粒子，對應于全原子模型中(zhōng)的若幹原子或原子基團甚至分(fēn)子，減少了體(tǐ)系中(zhōng)的粒子數，使得模拟的時間和空間尺度得以大(dà)幅度提高，但同時也将丢失原子細節信息。基于這種模型的分(fēn)子動力學模拟适合于研究緩慢(màn)的生(shēng)物(wù)現象或者依賴于大(dà)組裝體(tǐ)的生(shēng)物(wù)現象。
設計一(yī)個基本力場的根本原則就是要單位時間步長(time step)内計算能量的開(kāi)銷最小(xiǎo)化，從而實現模拟尺度的最大(dà)化。這一(yī)點對于全原子力場尤爲重要， 即便對于所謂的粗粒化模型也是一(yī)樣。特别地，如果想要進行微秒甚至毫秒級時間尺度的模拟，這一(yī)原則極其重要。
圖1顯示了分(fēn)子動力學的時間和空間尺寸的反比關系，圖中(zhōng)從左至右依次爲：(1)水，細胞的基本成分(fēn)；(2)牛胰蛋白(bái)酶抑制體(tǐ)，一(yī)種酶，其“呼吸”行爲可以在毫秒級時間尺度上進行考察；(3)核糖體(tǐ)，一(yī)個複雜(zá)的生(shēng)物(wù)器件，可以對基因信息進行解碼并生(shēng)産蛋白(bái)質；(4)紫細菌光合膜片段，擁有2500 萬個原子，圖中(zhōng)顯示的是嵌在磷脂雙分(fēn)子層上的捕光複合物(wù)及光化學反應中(zhōng)心[2]。
圖1 經典分(fēn)子動力學的時間的尺度關系
随着計算機處理器速度的快速增長以及大(dà)規模并行計算架構的發展，大(dà)規模并行化或專用的架構技術與可擴展分(fēn)子動力學程序的結合，計算機模拟包含從位錯到基于晶界的變形機制的整個晶粒尺寸範圍，爲探索材料體(tǐ)系的研究前沿領域開(kāi)辟了新的途徑。
例如，William Gonçalves等人通過選用Wolf BKS（van Beest， Kramer and van Santen）勢函數來描述原子之間的相互作用力，使用大(dà)規模原子/分(fēn)子并行模拟器LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）對二氧化矽氣凝膠的彈性和強度進行了分(fēn)子動力學方面的研究，他們使用velocity-Verlet算法和1.0 fs時間步長，并且在三個方向上均使用周期性邊界條件[3]。
圖2爲模拟的超過7000000個原子的大(dà)體(tǐ)積樣品3D示意圖，以及20nm厚的樣品切片和局部放(fàng)大(dà)圖（藍(lán)色爲氧原子，紅色爲矽原子），圖3（a）是對803nm3氣凝膠樣品進行單軸拉伸試驗，以獲得300K的應力應變曲線，（b-d）是典型韌性斷裂圖像，（e）抗拉強度與樣品體(tǐ)積的對數關系。他們分(fēn)析認爲，爲了确保正确評估彈性等機械性能，模拟樣品的尺寸至少爲孔徑的8倍，同時，表面積極高的二氧化矽氣凝膠需要相對低的應變率以确保準靜态條件。