“第一性原理+分子动力学+机器学习”三位一体的综合手段，已经成为模拟计算的一个前沿方向，为解决传统计算化学方法面临的挑战提供了新的解决方案。国内外已有科研团队在深化第一性原理与分子动力学的研究与应用拓展，利用机器学习优化大规模计算、快速筛选潜在功能材料等方面取得重要突破。尤其是在国家创新驱动发展战略的引领下，越来越多的科研项目聚焦于如何利用人工智能手段解决能源、环保、医药等重大领域的核心问题。这一前沿交叉领域的研究发展趋势呈现出高度集成化、智能化的特点，为我国科技创新注入源源不断的活力。

LAMMPS是一款经典的分子动力学软件，免费开源，可以模拟液态、固态或气态的粒子的系综。目前LAMMPS计算主要应用于：（1）研究金属材料的力学性能，LAMMPS可以模拟金属材料的塑性变形和断裂行为，从而研究金属材料的力学性能。（2）研究高分子材料的分子构象，LAMMPS可以模拟高分子材料的分子构象和分子运动，从而研究高分子材料的结构和性能。（3）研究物理化学过程，LAMMPS可以模拟一系列物理化学过程，如膜分离、电化学反应、催化反应等。同时lammps代码可以修改和扩展，可以方便的为之扩展上新特征和功能来匹配课题的个性化需求。

ReaxFF是一种先进的分子力场，能够模拟化学反应中的键形成与断裂，适用于热解、氧化、催化等复杂反应机理研究。它还用于探究氧气与硅石表面相互作用、有机分子热分解等现象。作为一种速度快、适用于大体系的模拟工具，ReaxFF为材料科学与化学工程领域提供了准确描述与预测能力，具有广泛的应用前景。

机器学习是一种能够从大量数据中学习并发现规律的算法，具有自我学习和优化的能力。在分子动力学模拟中，机器学习技术可以用于分析和优化模拟数据，从而提高模拟效率。通过将机器学习算法与分子动力学模拟相结合，我们可以实现更快速、更准确的模拟，从而更深入地理解分子体系的性质和行为。

下面是一些专题，你们可以针对性的根据自己的研究方向选择性查看

专题一  智能计算模拟：DFT+MD+ML深度融合及科研实践应用

第一部分

DFT+MD+ML基础

1.  理论内容

1.1. 计算模拟发展：MD, MC, DFT三大部分

1.2. 人工智能时代背景：大数据与大模型对模拟计算的影响

1.3. 人工智能加入给传统模拟计算带来的哪些变化？

①　模型建构的新趋势

②　力场开发中的机器学习应用

③　AI在模拟过程优化与加速中的作用

④　数据后处理技术的发展与智能化

1.4. 统计物理基本理论（系综、边界条件、温度的定义、控温与热浴等）

2.   实例操作

2.1. 软件环境搭建与安装：conda配置虚拟环境，安装GPUMD、LAMMPS、ASE、   Phono3PY、PyNEP、 OVITO、VMD、ATOMSK等软件

2.2. 力场参数生成与MD模拟操作：综合使用MS软件+MSI2LMP快速生成任意有机分子的PCFF/CVFF力场参数文件，并使用LAMMPS软件执行分子动力学模拟

2.3. MS软件的基本介绍与LAMMPS结合使用

a. MSI2LMP与PCFF/CVFF力场的简介

b. LAMMPS入门与经验势使用

c. 简单的分子动力学计算

2.4. 高精度量化数据集获取与机器学习融入MD模拟

a. VASP计算静态与AIMD的参数设置

b. 简单的力场计算实践、LAMMPS的基本使用（机器学习势）

c. LAMMPS与机器学习势函数结合的MD模拟

d. 机器学习模型的加载和使用要点

2.5. 数据后处理技术与可视化分析

a. 使用OVITOs的相关代码分析处理数据，包括AIMD和机器学习分子模拟的RDF, MSD, 扩散系数以及键角和二面角的分布情况

b. OVITO软件的基本使用

c. 键角和二面角分布的统计与绘图实现，以及python画图和origin画图的双示例

第二部分

机器学习力场学习与实践

1.  理论内容

1.1. 机器学习力场的重要工作

1.2. 机器学习、神经网络核心原理和训练过程

1.3. 机器学习力场构建流程、应用与优势

1.4. 图神经网络和图卷积网络

a. GNN/GCN概述、SchNet模型特点与实现

b. 消息传递神经网络框架

c. GAP、MTP、ACE、DP、NEP模型深入探讨与对比

1.5. DeePMD在国内的研究与应用现状

1.6. 高性能机器学习力场模型介绍

1.7.  NEP+GPUMD系列研究解读

2.   实例操作（NEP+GPUMD集成实战：全流程模型构建与模拟）

2.1. 数据格式转换与数据集构建：使用公开代码工具转化数据格式，并生成训练，验证和测试数据集

2.2. NEP模型超参数设定与理解

2.3. NEP模型全流程操作：安装、准备数据集、训练、验证和测试

2.4. 使用LAMMPS和GPUMD模型执行高精度、高效率、大规模分子动力学模拟

2.5. 机器学习力场驱动的模拟数据后处理与分析

第三部分

机器学习力场等变模型系列及领域热点

1.  理论内容

1.1. MACE模型：融合ACE、消息传递与等变性的创新

1.2. 方法的完备性，效率和系列演进

1.3. 适用于大规模GPU并行框架的NEP模型

1.4. 主流机器学习力场模型的详析与对比

2.   实例操作：（以石墨烯等二维材料为例，深度探究MACE及其他ML力场模型的实践应用）

2.1. NequIP或MACE模型超参数设置与实际应用

2.2. 结合LAMMPS或ASE使用MACE模型构建势函数

2.3. MACE与DeePMD、NEP的精度、数据效率对比

2.4. 计算RDF、MSD、扩散系数等物性并重现文献结果

2.5. 构建及对比DP、NEP、ACE等多种ML力场模型

第四部分

数据收集方法与应用

1.   理论部分

1.1. 公开数据集资源

1.2. 数据增强技术

a. 主动学习技术

b. AIMD+微扰等数据集扩充手段

c. 数据集数据集精简与筛选策略

d. 模型微调技术

2.   实例操作：(主动学习与模型微调在计算模拟中的实践--液态水、SiO2、MOF的完全演示案例)

2.1. ASE环境下主动学习实现与代码解析

2.2. 多GPU并行或单GPU多任务并行与资源优化

2.3. 自主设计主动学习方案

2.4. 预训练模型微调实践

2.5. 微调与从头训练效果对比

2.6. 不同模型（如金属、团簇、孪晶结构、多晶石墨烯）的构建实例

S.   其他备选内容

S1. 其他机器学习内容拓展应用，DNN、DT、XGBoost在计算模拟领域的应用，以多晶石墨烯为例

S2. PFC相场方法建立多晶石墨烯、石墨烯晶界描述符的选取、深度神经网络的训练（与其他机器学习方法对比）、预测

S3. VMD与OVITO等输出高质量的分子结构视觉化效果

部分案例图示：

专题二  LAMMPS分子动力学模拟

赠送视频内容

MD基础知识

分子动力学模拟入门理论

——掌握LAMMPS的in文件中实现这些功能的命令

系综理论、主要算法介绍、单位制

积分步长的选取、温度和压力控制

周期性边界条件以及力场简介

分子动力学模拟流程

第一天 上午

LAMMPS

基础入门

1  LAMMPS的基础入门

——初识LAMMPS是什么？能干什么？怎么用？

1.1 LAMMPS在win10和ubuntu系统的安装及使用

1.2 in文件结构格式

1.3 in文件基本语法：结合实例，讲解in文件常用命令

1.4 data文件格式

1.5 LAMMPS常见错误解决途径

☆实例操作：

运行并理解跟自己科研方向相近的例子

第一天 下午

LAMMPS

进阶

（石墨烯、金属材料模拟专题）

2 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义

——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

☆实例操作：

2.1 把剪切模型转换成拉伸模型

2.2 lattice命令石墨烯、金属、合金、高熵合金不同形状模型

2.3 石墨烯(不同力场)、金属、合金、高熵合金等拉伸剪切力学性质模拟

第二天 上午

LAMMPS

进阶

（纳米流体模拟专题）

3 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义

——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

☆实例操作：

3.1 把二维couette和poiseuille流动扩展成三维模型

3.2 建立三维管道内的poiseuille流动

3.3 进行石墨烯通道内的Couette流动和Poiseuille流动模拟

3.4 调节通道表面电荷性质、亲疏水性质，分析其对流动性质的影响

3.5 学习使用packmol，建立复杂混合溶液体系模型

3.6 模拟KCl等盐溶液的纳米流体流动

第二天 下午

LAMMPS

进阶

（热传导模拟专题）

4 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义

——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

☆实例操作：

4.1 理解导热系数意义

4.2 掌握lammps计算导热系数的几种方法

4.3 碳纳米管等导热系数的模拟计算

第三天 上午

LAMMPS

进阶

（多成分体系模拟专题）

5 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义

——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

☆实例操作：

5.1 金属、合金、高熵合金的摩擦模拟

5.2 材料切削模拟

5.3 夹层结构(graphene/C60/graphene)在不同粗糙度条件下的摩擦模拟

第三天 下午

LAMMPS

进阶

（金属、半导体材料的辐照模拟）

6 离子辐照对石墨烯、金属、碳化硅的离位损伤模拟

6.1 建立模拟体系的初始模型

6.2 PKA动能、位移随时间变化

6.3 点缺陷结构可视化

6.4 点缺陷的数量随时间变化

6.5 点缺陷的空间分布及演化过程

备选内容，根据课堂进度和学员情况决定

VMD、OVITO、msi2lmp等有机小分子建模，模型合并及模拟轨迹文件处理等

第四天 上午

LAMMPS

高级
（自建分子力场参数文件和金属有机框架材料晶体模型）

7 LAMMPS分子力场文件创建及MOFs材料建模

7.1 介绍固体材料单晶包试验数据结构，掌握基本的材料几何特征

7.2 利用MS软件构建MOFs材料单晶包模型和H2和CO2分子模型

7.3 讲解分子作用势能函数，学习编写MS软件中的力场参数文件（off文件）

7.4 简单介绍巨正则系综Monte Carlo方法

7.5 利用Sorption模块将H2和CO2分子插入到MOFs材料

7.6 编写LAMMPS力场文件（frc文件），并通过lammps程序生成data文件

7.7 运行能量最小化及体系的预松弛

7.8 模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。

实例操作：金属有机框架（MOFs）储氢和碳捕集模拟，计算密度分布，分子的MSD等性质。

第四天 下午

LAMMPS

高级
（分子筛纳米膜分离H2/CO2混合气体模拟）

8 研究H2/CO2在ZIF-7膜材料中分离性能

——模拟文献Science 346 (6215), 1356-1359的分离过程

8.1  利用MS软件构建ZIF-7膜材料单晶包

8.2  设计H2/CO2与ZIF-7体系模型，再现文献“Science 346 (6215), 1356-1359”的实验过程。

8.3  自定义分子力场文件（frc文件），通过lammps程序生成data文件

8.4  运行能量最小化及体系的预松弛

8.5  模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。

实例操作：VMD中查看可视化的动态轨迹，计算密度分布，分子的MSD等，抽取轨迹的动能、势能、总能量等相关数据，对轨迹进行初步分析。

部分案例图示：

专题三  ReaxFF反应力场计算开发技术与应用

第一天 上午

ReaxFF基础理论

1.  ReaxFF反应力场概述

1.1. ReaxFF反应力场的发展历程和基础

1.2. ReaxFF反应力场参数分枝与详解

1.3. ReaxFF反应力场的应用领域

第一天 下午

ReaxFF基础入门

2.  ReaxFF反应力场基础入门

2.1. 所需输入重要文件详解包括 control,  geo, ffield等文件

2.2. 结合实例，讲解输入文件命令行，输出文件

2.3. ReaxFF反应力场简单实例操作及结果查看

2.4. ReaxFF反应力场运行软件安装和配置(standalone ReaxFF,LAMMPS)

2.5. ReaxFF 反应力场的选取和准备

第二天 上午

ReaxFF计算软件

3.  分子建模，可视与计算软件

3.1. 建模软件gview, material studio

3.2. 可视软件molden, VMD, OVITO

3.3. ReaxFF计算软件 standalone ReaxFF, LAMMPS

3.4  ReaxFF 特殊功能介绍：改变温度体积，产生特定比例混合物，设置电荷，限制优化和扫描，添加删除分子，结果查看和分析等

第二天 下午

ReaxFF计算软件

4.  Lammps实例操作

4.1. LAMMPS运行设置和后处理程序软件ChemTraYzer等的安装和配置

4.2. Lammps燃烧过程简单例子（模拟和分析）

4.3. LAMMPS高级算例：模拟化学摩擦过程（CMP）：建模，loading和shearing过程模拟，结果分析等

第三天 上午

ReaxFF进阶实例

5.  ReaxFF进阶实例操作，理解计算模拟的过程及物理意义

实例操作：溶液中的质子转移(JPCB,JPCL文献)

5.1. 建立初始模型：重点注意事项(minimization->nvt->compress->npt->nvt)

5.2. 输入文件设置, 开启输出unfolded坐标文件

5.3. 模拟步骤：能量最小化，压缩，系综平衡等

5.4. VMD查看结果分析：msd，扩散系数，rdf，sdf, 质子追踪等

第三天 下午

ReaxFF进阶实例

实例操作：碳化硅表面石墨烯的生长（Chem. Mater文献）

5.5. 建模与输入文件，表面选取与准备

5.6. 热分解法生长石墨烯，删除表面硅

5.7. cvd法生长石墨烯，添加乙炔分子

5.8. 可视评估石墨烯质量 （模拟结果统计与可视化）

第四天 上午

ReaxFF高级实例

6.  量子化学软件CP2K入门

6.1. CP2K基本功能介绍

6.2. CP2K的下载和安装

6.3. CP2K的结构文件的建模

6.4. CP2K输入文件讲解和建立

6.5. CP2K输出文件介绍和可视化转化

第四天 下午

ReaxFF高级实例

7.  CP2K结构优化、过渡态搜索和力场开发实例

7.1. CP2K研究有机分子在固体表面的吸附

7.2. CP2K过渡态计算以及结构和能量提取

7.3. ReaxFF反应力场开发所需文件详解

7.4. 提取CP2K计算结果实现ReaxFF训练集的构建

7.5. ReaxFF力场验证

交流互动环节

针对学员的问题一一作答

部分案例图示：

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刚刚展示的几个专题对于学习化学、材料等相关的都会有所帮助，具体也可以查看某公某号：研而有信er。