-فایل پایان نامه-سایت مرجع پایان نامه ) user8211- \\\\\\\"”-فایل پایان نامه-سایت مرجع تحقیق علمی )”\\\\\\\"

دانلود پژوهش user8211- ارشد

Please enter banners and links.

1-4 انواع معماري سلول‌هاي فتوولتايي آليروش ساخت سلولهاي آلي بسيار ساده است.اساس ساخت لايه نشاني در مقياس نانو است.از جمله روشهاي مهم
Spray-Spin Coating-Printing-Sol gel است . مي توان مراحل مختلف ساخت را با ابزارهاي محاسباتي شبيه سازي كرد و شرايط مختلف ساخت را بررسي كرد . يكي از مشكلات اصلي سلولها مشكل طول عمر و چسبندگي مواد و لايه هاي مختلف است.اساس لايه نشاني ميزان چسبندگي لايه ها به هم است.هر چه اين چسبندگي بيشتر باشد عمر سلول و بازده آن افزايش مي يابد . اين چسبندگي به دما بسيار حساس است پس يافتن اثرات دما بر ساختار سلول بسيار مهم است. سلول‌هاي فتوولتايي آلي را از لحاظ معماري مي‌توان به چهار گروه تقسيم نمود:
1-4-1 معماري تك‌لايهساده‌ترين و پركاربردترين قطعه‌ي نيمه‌رساناي آلي يك ديود تونلي فلز-عايق-فلز (MIM)است.در این نوع از سلول، الكترودهاي فلزي داراي تابع كار متفاوت هستند. ( REF _Ref244349722 \h \* MERGEFORMAT شكل‏1-5).

شكل STYLEREF 1 \s ‏1-5 سلول آلی با معماری تک لایه.]6[
این معماری ساده ترن نوع است. این سلول از آند و کاتد به همراه یک پلیمر مزدوج به عنوان محیط فعال ساخته شده.در اثر جذب فوتون توسط پلیمر ، اگزیتون تولید می شود .این اگزیتون هنگام رسیدن به آند و کاتد تجزیه شده و حاملهای بار جدا می شوند.این معماری بسیار ساده است ولی بازده بسیار پایینی دارد.چون طول پخش اگزیتون کم است ،قبل از رسیدن به آند و کاتد از بین می رود.
1-4-2 معماري دولايه‌يدر اين نوع دو لايه از دونوع ماده آلي متفاوت در مجاورت يكديگر قرار دارند. به همين دليل اين نوع معماري را دولايه‌ي مي‌نامند. در1-6 REF _Ref244399719 \h \* MERGEFORMAT شكل طرح شماتيكي از سلول ارائه شده است كه در آن نحوه قرار گرفتن لايه‌ها و مولكول‌هاي مواد دهنده‌ي الكترون و پذيرنده‌ي الكترون نشان داده شده است.]7[

شكل 1-6 طرح شماتيك سلول فتوولتايي تخت دولايه.]7[
تفاوت این معماری با تک لایه در این است که بعد از تولید اگزیتون در ماده دهنده ،این اگزیتون به مرز جدایی زودتر رسیده و قبل از نابودی ،تجزیه می شود .ولی باز بازده کم است ،چون به اندازه کافی اگزیتون به مرز جدایی نمی رسد.
1-4-3 معماري ناهمگون حجمي در اين نوع معماري دو ماده‌ي آلي در يكديگر نفوذ مي‌نمايند و در بخشي از ساختار به جاي دو لايه‌ي تخت مجزا يك مخلوط از دو ماده داريم. به اين ترتيب سطوح مشترك دو ماده افزايش يافته و در صورت تشكيل مناسب فازها در مخلوط، هر اگزيتون تشكيل شده در ماده‌ي جاذب نور امكان رسيدن به مرز مشترك دهنده/پذيرنده را پيش از نابودی خواهد داشت. REF _Ref244400161 \h \* MERGEFORMAT شكل 1-7 طرحي از يك قطعه با اين معماري و نمودار نوار انرژي آن را نشان مي‌دهد.

شكل 1-7 طرح شماتيكي از سلول فتوولتايي ناهمگون حجمي]8[.
1-4-4 معماري چندپشته رويكردي ديگري كه به افزايش كارآيي سلول‌هاي فتوولتايي آلي منجر مي‌گردد استفاده از معماري چندپشته (Tandem) است. از قطعاتي كه با اين معماري ساخته مي‌شوند تحت عنوان سلول‌هاي فتوولتايي چنداتصالي نيز ياد مي‌شود. در اين ساختارهاي چندلايه‌اي هر نيمه‌رسانا (كاني يا آلي يا تركيبي از هردو) يك گاف نوار انرژي مشخص خواهد داشت كه در اطراف يك طول موج خاص بيشترين ميزان جذب را دارا است. نيمه‌رساناها بايد طوري انتخاب شوند كه تقريباً تمام طيف خورشيد را جذب نمايند. ترتيب لايه‌ها به شكلي است كه لايه‌ي داراي بزرگترين گاف نوار در بالا قرار مي‌گيرد. نخستين اتصال تمام طيف را دريافت مي‌نمايد. فوتون‌هايي كه داراي انرژي بيشتر از گاف نوار اتصال اول هستند در لايه‌ي نخست جذب مي‌شوند. فوتون‌هاي با انرژي كمتر از گاف نوار لايه‌ي نخست به لايه‌هاي پايين‌تر ميروند تا در آنها جذب شوند.در شكل1-8 نمونه اي از اين سلولها نشان داده شده.

شكل 1-8 ساختاري از معماري چند پشته براي سلولهاي آلي.]8[
1-5 كاربرد نانو مواد در سلولهاي آليامروزه استفاده از مواد كربني نانويي به عنوان مواد گيرنده در محيط فعال سلولهاي آلي بسيار متداول شده.]9[-]10[-]11[
مواد نانويي داري خواص جالبي هستند. يكي از مشكلات مهم سلولها طول عمر و چسبندگي لايه ها به هم است.تحقيقات امروزي نشان مي دهد كه با افزايش نانو لوله هاي كربني عملكرد سلول از جنبه بازده و پايداري افزايش يافته . ولي كدام نوع از نانو لولهاي كربني براي يك سلول آلي مناسب است ؟ در ادامه برخي از خواص مهم نانو لوله هاي كربني را ذكر مي كنيم.
نانو لوله های کربن CNTs ساختار يك بعدي کربن هستند. یک نانو لوله تک دیواره کربن SWNT یک ورق کربن به ضخامت یک اتم است که به صورت یک استوانه یکپارچه که قطر آن از مرتبه نانو متر است، در آمده است. در نتیجه نانو لوله های کربن ساختار های بسیار ریزی ( در ابعاد نانو متر ) هستند که نسبت طول آنها به قطرشان به 10000 میرسد. چنین مولکولهای استوانه ای کربن دارای خواص بدیعی هستند که کاربرد وسیع آنها را در فن آوری نانو ، الکترونیک، اپتیک و دیگر زمینه های علم مواد ممکن می سازد. نانو لوله های کربن دارای استحکام فوق العاده بالا بوده و خواص الکترونیکی بی همتایی دارند و رسانای خوب گرما هستند.نانو لوله های کربن از ترکیبات با ساختار فلورن هستند که شامل باکی بال ها نیز می شود با این تفاوت که نانو لوله ها استوانه ای شکل هستند که حداقل یک سر آنها با نیم کره ای با ساختار باکی بال بسته شده است. در حالیکه باکی بال ها همان گونه که از نام آنها بر می آید، کروی شکل اند.نام نانو لوله های کربن از اندازه آنها گرفته شده است، چرا که قطر یک نانو لوله از مرتبه چند نانو متر است ( نزدیک به 50000 بار کوچکتر از تار موی انسان) در حالیکه طول آن می تواند به چند میلی متر برسد. به طور کلی نانو لوله های کربن به دو گروه تقسیم می شوند: نانو لوله های تک دیواره(SWNTs) و نانو لوله های چند دیواره(MWNTs).
ماهیت پیوند های شیمیایی یک نانو لوله با استفاده از شیمی کوانتومی و به طور مشخص با استفاده از هیبریداسیون اوربیتال ها توصیف می شود. پیوند های شیمیایی نانو لوله ها از پیوند های sp2 تشکیل شده است که شبیه به ساختار پیوندی در گرافیت می باشد. نانو لوله های کربن می توانند با استفاده از نیرو های وان در والس به صورت رشته ( ریسمان ) در بیایند.نانو لوله های کربن تحت فشار زیاد می توانند برخی از پیوند های sp2 را به پیوند های sp3 تبدیل کرده و امکان تشکیل نانو لوله هایی با طول نامحدود را فراهم سازند. با چرخش يك لايه گرافين مي توان نانو لوله توليد كرد.بر اساس نوع چرخش انواع متنوعي از نانو لوله ها توليد مي شود.در شكل1-9 نحوه توليد ديده مي شود.

شكل 1-9 توليد نانو لوله كربني از پيچش گرافين.
نانو لولها دارای خواص فیزیکی جالبی هستند از جمله:
استحکام:نانو لوله های کربن با توجه به مقاومت ( استحکام ) کششی و مدول الاستیک آنها یکی از مستحکم ترین و سخت ترین مواد شناخته شده هستند. این استحکام نتیجه ای از پیوندهای کووالانسی sp2 که بین اتم های کربن تشکیل شده اند می باشد. استحکام کششی نانو لوله های چند دیواره 63 GPa گزارش شده است. در حالیکه فولاد (carbon-steel) دارای استحکام کششی نزدیک به 1.2 GPaاست . نانو لوله های کربن دارای مدول الاستیک بسیار بالا از مرتبه 1 TPa هستند این در حالی است که نانو لوله های کربن دارای چگالی 1.3-1.4 g/cm3 هستند که برای یک جامد مقدار کمی است.
رسانش :به طور نظری نشان داده شده است که نانو لوله های کربنی که دارای خواص فلزی باشند می توانندجریان های الکتریکی حمل کنندکه چگالی آنها 1000 برابر بزرگتر از آنچه فلزات نقره و مس حمل می کنند، است.
گرمایی: انتظار می رود که همه انواع نانو لوله های کربن رساناهای بسیار خوب گرما باشند.پیش بینی شده است که نانو لوله های کربن می توانند تا 6000 W/mK گرما را در دمای اتاق عبور دهند در حالیکه مس میتواند تنها 385 W/mK گرما را در شرایط مشابه عبور دهد.
ترابرد تک بعد:در نانو لوله های کربن به دلیل دارا بودن ابعاد نانو، ترابرد الکترون تنها از طریق اثرات کوانتومی امکان پذیر است و تنها در راستای محور تیوب انجام می شود.که این ویژگی مشابه همان چیزی است که در سیم های کوانتومی (quantum wires) رخ می دهد. به دلیل وجود همین ویژگی است که نانو لوله های کربن را می توان سیستم های تک بعدی در نظر گرفت.
ویژگی های الکترونیکی نانو لوله های کربنی:نانو لوله های کربنی دارای دو نوع اوربیتال هستند. اوربیتال های پیوند سیگما (σ) که در واقع پیوند اتمی است که اتمهای کربن را در ساختار لانه زنبوری دیواره نانولوله به هم می پیوندد واوربیتال پای (π) که عمود بر سه اوربیتال سیگما قرار دارد و تک الکترون موجود در آن تقریباٌ آزادانه حرکت می کند. این الکترون های پای موجب جاذبه واندروالس ضعیف بین نانو لوله های مختلف می شوند. اوربیتال های سیگما به دلیل فاصله زیادی که از سطح فرمی دارنددر واقع نمی توانند نقش مهمی در خواص ترابردی و جذب اپتیکی (در محدوده انرژی مرئی) نانولوله ها ایفا کنند .
ديناميك مولكولياهداف فصل:آشنايي با انواع مختلف ابزارهاي محاسباتي از جمله MD -DFT است.
يكي از روشهاي متداول بررسي پديدهاي فيزيكي در مقياس ماكروسكوپيك ، استفاده از معادلات ديفرانسيل با مشتقات جزيي است (PDE) . از جمله اين معادلات ، معادلات سيالات ، مقاومت مصالح ، الكترومغناطيس ، امواج ،پيزو الكتريك و … است . روشهاي زيادي براي حل PDE وجود دارد از جمله جداسازي متغير ها، ماندهاي وزني،تفاضل محدودFDM))‍ ،المان محدود (FEM) و حجم محدود.در تمام اين معادلات ، ثابتهاي وجود دارد. اين ثابتها را مي توان از تجربه يا محاسبات بدست آورد. هدف اين پايان نامه فقط روشهاي محاسباتي است .براي محاسبه اين ثابتها ، بايد به دنياي اتمها و مولكولها رفت و از مكانيك كلاسيك براي اين دنيا استفاده كرد. اين روش همان ديناميك مولكولي است (MD) . ولي براي استفاده از مكانيك كلاسيك، بايد نيروهاي بين اتمي مشخص باشد .براي محاسبه اين نيروها بايد به دنياي الكترونها رفت و معادلات كوانتوم را بكار برد.اين شاخه از فيزيك تحت عنوان فيزيك سيستمهاي چند ذره اي معروف است.براي نوشتن معادلات كوانتوم به ثابت هاي ديگري نيازمنديم.براي محاسبه اين ثابتها به سراغ الكتروديناميك كوانتومي رفته (QED).اين روش حالت خاصي از مدل استاندارد ذرات بنيادي است.مدل استاندارد داراي مشكلاتي بوده ،از جمله اتحاد نيروها و 26 ثابت تجربي ، از اين رو به سراغ مدل ريسمان رفته.در مدل ريسمان فقط طول ريسمان ثابت معادلات است و تمام خواص فيزيكي از اين طول بدست مي آيد .به اين روش متداول محاسبه خواص و پديدهاي فيزيكي روش شبيه سازي چند مقياسي (Multi Scaling Simulation) گفته مي شود.در اين پايان نامه روشهاي MD,DFT بيان مي شود.
2- 1شبيه سازي مولكوليشبيه‌سازي مولكولي يك مفهوم كلي است كه شامل مونت كارلو (MC) و ديناميك مولكولي (MD) است. علاقه‌مندي اوليه براي شبيه‌سازي مولكولي به دليل ايجاد نتايج دقيق براي مسائل مكانيك آماري داراي برتري و رجحان نسبت به روشهاي حل تقريبي است. ويژگي كه باعث تمايز شبيه‌سازي مولكولي از روشهاي محاسباتي ديگر مي‌شود اين است كه مختصات مولكولي سيستم مطابق با محاسباتی از نيروها و انرژيهاي درون مولكولي بيرون مي‌آيد. شبيه‌سازي مولكولي را مي‌توان به عنوان مكانيك آماري محاسباتي توصيف كرد. اين محاسبات به ما توانايي تعيين خواص ماكروسكوپي را دقيقاً با استفاده از يك مدل تئوري حاصل از يك برنامه كامپيوتري را مي‌دهد.نتايجي كه از شبيه‌سازي مولكولي بدست مي‌آيد به ماهيت مدلي كه استفاده مي‌شود بستگي دارد. مقايسه نتايج شبيه‌سازي با داده‌هاي آزمايشگاهي يك آزمايش تعيين‌‌كننده دقت مدل است. اختلاف بين اين دو مي‌تواند به معني عدم پذيرش مدل توصيف‌كننده رفتار مولكولي باشد.
مزيتهاي شبيه‌سازي مولكولي بسيار زياد است. در بسياري از موارد انجام آزمايشي در آزمايشگاهها با سختيهاي زياد در طراحي و مواد انتخابي همراه است. از طرفي شبيه‌سازي مولكولي انعطاف‌پذيري بالايي براي محدوده گسترده‌اي از شرايط دمايي و فشار و … دارد. پارامترهاي مورد استفاده را مي‌توان به آساني در يك الگوريتم و برنامه مورد استفاده تغيير دارد در حالي كه در آزمايشگاه اين كار به آساني صورت نمي‌گيرد]12[
یکی دیگر از روشهای شبیه سازی مولکولی ،روش مونت كارلو است. این روش يك استراتژي اتفاقي بر پايه احتمال است به منظور شبيه‌سازي سيالات، انتقال بين دو حالت يا پيكربندي مختلف با استفاده از
الف) ايجاد يك پيكربندي آزمايشي به صورت تصادفي
ب) ارزيابي در مورد پذيرش يك حالت با محاسبه تغييرات انرژي و خصوصيات ديگر پيكربندي
ج) مقايسه بين حالت مورد پذيرش با حالت پذيرفته شده و رد شده قبلي صورت مي‌گيرد. آنچه داراي اهميت است اين است كه همه حالتها خصوصيات پيكربندي را به طور دقيق ايجاد نمي‌كند و براي تعيين خصوصيات دقيق سيستم در زمان محدود براي شبيه‌سازي نمونه‌گيري از حالتهايي كه داراي توضيح متمايز و دقيق مي‌باشند اهميت دارد. اين كار با استفاده از زنجير ماركوف صورت مي‌گيرد. يك زنجيره ماركوف، يك توالي از آزمايشاتي است كه نتيجه حاصل از آزمايشات موفق بدست آمده از شبيه‌سازي صورت گرفته بر روي مولكولها موردنظر است. يك حالت جديد تنها در صورتي در يك زنجيره ماركوف پذيرفته مي‌شود كه از حالت قبلي مطلوبتر باشد. به عبارتي حالت جديد بايد داراي انرژي كمتري باشد تا پذيرفته شود.
در فرآيند مونت كارلو، يك پيكربندي جديد با استفاده از جابجايي، تعويض، افزودن يا كم شدن يك مولكول ايجاد مي‌شود. احتمالات در تعيين ماهيت و اندازه حركت پيچيده است. ماهيت دقيق احتمال وابسته به مجموعه انتخاب شده است اما در حالت كلي ارزيابي انرژي پيكربندي جديد و مقايسه آن با حالت قبلي و موجود مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. در صورتي كه حالت جديد رد شود، حالت قبلي به عنوان حالت جديد محسوب مي‌شود ]13[.
2-2 روش ديناميك مولكوليپايه هاي MD در دهه‌هاي 50 و 60 ميلادي گذاشته شد. اولين مقاله در اين زمينه را الدر و وين رايت]14[ در 1957 ارائه نمودند که سيستمي متشکل از کره‌هاي سخت را شبيه‌سازي کرده بودند. هدف اصلي از ديناميک مولکولي يافتن مكان برحسب زمان براي سيستمي از ذرات است كه در اينجا مي‌تواند اتمها يا مولكولها باشند. بنابراين اگر رابطه F=ma براي تك تك ذرات نوشته شود با معلوم بودن نيروها مي‌توان بطور عددي از هر روش دلخواه اين معادله ديفرانسيل جفت شده معمولي را حل نمود. پس دانستن نوع نيروهاي بين اتمها بسيار مهم است که براي يافتن ماهيت دقيق آن بايد معادله شرودينگر براي اين مجموعه ذرات حل شود. روشهاي ساده‌تري نيز مانند روش تطبيق نيروها براي يافتن اين نيروها وجود دارد. در اين روش ابتدا يك تابع تحليلي براي پتانسيل حدس زده شده و پارامترهاي آن با برازش داده‌هاي تجربي با مدل مورد نظر بدست مي‌آيد.
مي دانيم که، حداکثر يک سيستم دو ذره اي را مي‌توانيم بطور تحليلي و دقيق حل کنيم. با افزايش ذرات ما چاره‌اي جز حل عددي و شبيه‌سازي مسأله نداريم. چند روش شبيه‌سازي براي حل اين مسائل وجود دارد مثل مونت کارلو و ديناميک ملکولي که بحث ما به روش MD محدود مي‌شود كه روشي را براي مدل کردن سيستم‌هاي N ذره‌اي در مقياس مولکولي فراهم مي‌کند. يافتن تحول زماني چنين سيستمي مشروط به حل دستگاه معادلات حرکت N ذره مي‌شود. روش MD تحول اين سيستم را با انتگرال‌گيري از معادلات حرکت بدست مي‌دهد. بنابراين برخلاف مونت کارلو، MD يک روش قطعي (غير احتمالي) است. يعني اگر سرعت و مکان اوليه ذرات مشخص باشد، MD در تئوري، تحول زمان‌هاي بعد سيستم را بدست مي‌دهد. (در عمل خطاهاي برشي و گرد كردن و باعث انحراف مسير هر ذره از مسير اصلي مي‌شود).
به نظر مي‌رسد که در مقياس اتمي بايد از قوانين مکانيک کوانتمي استفاده کنيم، ولي در MD قوانين مکانيک کلاسيک و معادله حرکت نيوتون:
(2-1)
براي هر ذره استفاده مي‌شود و مسير حرکت هر ذره را بدست مي‌آورد.
2-3 اصول ديناميك مولكوليهدف كلي MD يافتن مكان ذرات برحسب زمان، از طريق حل معادله F=ma براي تك‌تك ذرات است. براي حل اين معادله ديفرانسيل از هر روش عددي مي‌توان استفاده كرد مانند روش اويلر .
قبل از هر چيز بايد يک مدل فيزيکي را براي توصيف سيستم تحت بررسي پيدا کنيم. در مقياس اتمي نيروهاي اتلافي بين ذرات وجود ندارد، بنابراين نيروي وارد بر ذرات پايستار هستند يعني مي‌توان آنرا از يک پتانسيل بدست ]15[
(2-2)
انرژي پتانسيل سيستم بر حسب مکان‌هاي ذرات، در آرايشي که قرار گرفته‌اند، مي‌باشد. در حالتهاي پيچيده‌تر جهت‌گيري ذرات نسبت به هم (زاويه بين پيوندها) در پتانسيل تأثير خواهند داشت. انتخاب پتانسيلهايي که بهتر و دقيق‌تر، سيستم ما را مدل کنند خود به يک زمينه تحقيقاتي در MD تبديل شده است.
مقدماتي‌ترين روش در مدل کردن مواد در حالتهاي جامد، مايع و گاز اين است که اتمها را بصورت ذرات کروي بگيريم که با هم برهمکنش مي‌کنند. ساده ترين برهمکنش را مي‌توان بين جفت ذرات در نظر گرفت. متداولترين پتانسيل جفت ذره‌اي را که مي‌توان در نظرگرفت پتانسيل لنارد-جونز است ]15[:
(2-3)‌
انرژي پتانسيل سيستم نيز چنين خواهد شد ]15[
(2-4)
و پارامترهايي هستند که پتانسيل را با خواص فيزيکي سيستم تطبيق مي‌دهند. پتانسيل جفت ذره‌اي حداکثر براي گازهاي نجيب (Ar و Kr) که در لايه آخرشان کاملاً پر است تقريب خوبي است و براي فلزات و نيمه هاديها تقريب ضعيفي است و بايد دنبال پتانسيل بهتري گشت.اين پتانسيل براي فهم و درک مقدماتي MD مفيد است.
(2-5)
بهتر است قبل از شروع شبيه‌سازي مجموعه معادلات را بدون بعد نمائيم. اين کار را با جايگزيني روابط زير انجام مي‌دهيم [16]:
(2-6)
بنابراين مي‌توان نوشت:
(2-7)
که در روابط فوق K، انرژي جنبشي و U انرژي پتانسيل سيستم مي باشد. الگوريتم‌هاي مختلفي براي انتگرال‌گيري و يافتن موقعيت و سرعت وجود دارد در اينجا دو الگوريتم ورلت و پرش قورباغه‌اي را به طور اختصار بيان مي‌کنيم:
الف-الگوريتم ورلت
بيشتر شبيه‌سازي‌هاي ديناميک مولکولي با استفاده از اين الگوريتم صورت مي‌گيرد. اساس اين سبک در نظر گرفتن سه جمله اول بسط تيلور و حذف بقيه جملات براي موقعيت r(t) در يک گام قبل و يک گام بعد از زمان t مي‌باشد [16]:
(2-8)‌
با جمع کردن دو رابطه فوق، خواهيم داشت:
(2-9)
اين شکل اساسي الگوريتم ورلت مي‌باشد. در اين روش سرعت مستقيما بدست نمي‌آيد. براي بدست آوردن سرعتهاي مورد نياز براي تعيين انرژي سينتيكي از رابطه زير استفاده مي‌كنيم:
(2-10)
ب-الگوريتم پرش قورباغه‌اي
اين روش به لحاظ جبري شبيه تکنيک فوق مي‌باشد، تفاوت بين دو تکنيک در ساختار زير مشخص است [16]:
(2-11)
در اين روش نيز سرعت و مکان در يک زمان بدست نمي‌آيد:
(2-12)
2-4 شعاع قطع(Cut Off)هنگامي که مي‌خواهيم يک سيستم N ذره‌اي را مورد بررسي قرار دهيم، تعداد برهمكنش دوتايي بين ذرات بايد محاسبه شود. اين کار با حجم بالايي از محاسبات همراه است براي کاهش اين محاسبات مي‌توان کل اندرکنش‌ها را در نظر نگرفت بعنوان مثال در پتانسيل لنارد-جونز مي بينيم که قدرت پتانسيل در حد شعاعهاي بزرگ به صفر ميل مي‌کند. بنابراين مي توان يک شعاع قطع در نظر گرفت که در اينصورت اتمهاي خارج از اين شعاع به اتم مرکزي هيچ نيرويي وارد نمي‌کنند. اين شعاع را با RC نشان مي دهيم ديده مي شود که اگر RC از ابعاد سيستم کوچکتر باشد از حجم محاسبات کاسته مي‌شود. بنابراين پتانسيل شبيه سازي را بصورت زير تعريف مي‌کنيم [16]:
(2-13)
ديده مي‌شود که لحاظ کردن شعاع قطع باعث ايجاد ناپيوستگي در انرژي و نيروي وارد بر ذرات مي‌شود بنابراين شکل پتانسيل را طوري مي‌گيريم که بصورت هموار تغيير کند:
(2-14)‌
با اين کار پيوستگي نيرو و انرژي حفظ مي‌شود. مطمئنا قطع پتانسيل روي کميت هاي فيزيکي اثر مي‌گذارد. يک راه حل براي برطرف کردن اين مشکل پيوسته گرفتن ناحيه خارج از RC و اضافه کردن اثر مقادير حذف شده پتانسيل مي‌باشد که اين خود يک زمينه تحقيقات به شمار مي‌رود. متداولترين شعاعهاي قطع براي پتانسيل لنارد-جونز و مي‌باشد.
تعداد ذراتي که ما مي‌‌توانيم در MD بررسي کنيم (حدود 106-103 ذره) نسبت به حالت ماکروسکوپيک خيلي کوچک است و نسبت اتمهاي سطح به کل اتمها بيشتر از مقدار واقعي است بنابراين اثرات سطح از اهميت بالايي برخوردار است.
مي توان ناحيه شبيه‌سازي که به جعبه MD مشهور است را با يک مرز محدود نمود و براي رها شدن از اثرات سطح، از شرايط مرزي پريوديک استفاده کرد. يک جعبه MD را در نظر مي‌گيريم، اين جعبه با انتقال در سه بعد بصورت [16]:
(2-15)
کل فضا را تا بينهايت پر مي‌کند. در اجرا برنامه تنها جعبه اصلي در نظر گرفته مي‌شود و بقيه قسمتها با اين انتقال بدست مي‌آيد. بايد توجه داشت که با چنين فرضي علاوه بر برهمکنش هر ذره با ساير ذرات درون جعبه بايد با تصاوير اين ذرات در ساير جعبه‌ها هم برهمکنش کند که اين باعث پيچيدگي بيش از حد مساله مي‌شود.
2-5 روش مجموع ايوالد (Ewald summation method)روش مجموع ايوالد [14] روشي براي محاسبه انرژي‌هاي برهمكنش سيستمهاي پريوديك (مانند كريستالها) به‌ويژه انرژيهاي الكترواستاتيكي مي‌باشد. مجموع ايوالد حالت خاصي از فرمول مجموع پواسون مي‌باشد كه مجموع انرژيهاي برهمكنش در فضاي واقعي را با مجموع معادل در فضاي فوريه جايگزين مي‌كند. مزيت اين روش همگرايي سريع مجموع فضاي فوريه در مقايسه با معادل فضاي واقعي است هنگامي كه برهمكنشهاي فضاي واقعي بلند-بردهستند. چون انرژيهاي الكترواستاتيكي هم برهمكنشهاي كوتاه-برد و هم بلند-برد را دارا هستند از اين رو بسيار مفيد خواهد بود اگر پتانسيل برهمكنش را به مجموع اجزاي كوتاه-برد در فضاي واقعي و مجموع اجزاي بلند-برد در فضاي فوريه تجزيه كنيم.
2-6 اندازه‌گيري كميتها در MDدر MD با ميانگين‌گيري از مقادير لحظه‌اي هر کميت در هر اجراي برنامه مي‌توان مقدار آن کميت را بدست آورد. از طرفي اگر ما بخواهيم ميانگين‌هاي آماري معتبر و مفيدي بدست آوريم اولاً تعداد قابل توجهي از ذرات بايد استفاده شود که افت‌و‌خيز‌هاي بزرگ ناشي از بعضي ذرات را کاهش دهد. در حالتيکه نيروي بين ذرات کوتاه برد باشد تعداد 1000 ذره براي نشان دادن رفتار آماري مناسب است. (شبيه‌سازيهاي MD امروزه مي توانند 106-103 ذره را در برداشته باشند) ثانياً زمان شبيه‌سازي بايد به اندازه کافي طولاني باشد که سيستم به حالت تعادل خودش برسد. در چنين حالتي شبيه‌سازي MD مي‌تواند کميت‌هاي ترموديناميکي را اندازه گيري کند.
اندازه‌گيري کميت‌ها در MD معمولاً به معناي ميانگين‌گيري زماني کميت‌هاي فيزيکي است [16]:
(2-16)
ميانگين زماني آن چنين مي‌شود:
(2-17)
در طول هر گام زماني برنامه، جمع فوق محاسبه مي‌شود و در انتهاي برنامه با تقسيم بر ، تعداد گام‌هاي زماني، ميانگين فوق بدست مي‌آيد. اگر داده‌هاي برنامه (سرعت و مکان ذرات) در يک فايل ذخيره شوند، بعد از اجرا با برنامه ديگري ميانگين کميت‌هاي فيزيکي را بدست مي‌آوريم.
2-7 مسيرهايکي ديگر از نتايج گرافيکي که از اجراي برنامه MD مي‌توان بدست آورد، نشان دادن مسير حرکت هريک از ذرات با زمان است. شکل مسير همه ذرات مي‌تواند يک تصوير از حالت سيستم به ما بدهد. در فاز جامد، اتمها محدودند که در سر جاي خودشان ارتعاش کنند. مسيرها در حالت گازي طولاني هستند و در مايعات يک حد وسطي براي مسافت ذرات وجود دارد و با گامهاي کوچکتري حرکت مي‌کنند.
يکي از مزيت هاي MD نسبت به ساير روشها مثل مونت‌کارلو اين است که MD تحول سيستم را بدست مي‌دهد و ما مي‌توانيم سيستم را در حالت‌هاي غير تعادلي بررسي کنيم. بايد در هر بازه زماني تمامي نيروهاي وارد بر ذرات را داشته باشيم براي اين كار ليستي از همسايه‌ها در هر لحظه آماده كرده وفقط اثرات همسايه‌ها را تحت عنوان ليست همسايه‌ها بررسي مي‌كنيم. در بالا فرض شده ذرات هيچ ارتباطي با عوامل بيروني از سيستم ندارند (مجموعه ميكروكانونيكال). ولي اگرسيستم كانونيك (مجموعه‌اي كه قيد آن ثابت بودن تعداد ذرات، حجم و دما مي‌باشد.) باشد، يعني بعضي ذرات با يك منبع دمايي بيروني در ارتباط باشد آنگاه براي كنترل دما مي‌توانيم از ترموستات نوز-هووراستفاده كنيم كه معادلات آن به شكل زيراست [16]:
(2-18)
(2-19)
(2-20)
كه در آن ζ ضريب اصطكاك، آهنگ ريلاكسي براي افت و خيز گرمايي، دما داخلي سيستم، T دماي خارجي منبع مي‌باشند. براي مابقي حالات هم اثرات محيط را توسط پارامترهايي در نيرو وارد مي‌كنند.
2-8 نيروها
اساس ديناميك مولكولي نيروها هستند .نيروها به دو دسته پيوندي(BONDED) و جفتی(PAIR) تقسيم مي شوند.براي شبيه سازي بايد نوع مناسب نيرو را از مقالات بدست آورد.در ادامه انواع نیروهای پیوندی توضیح داده می شود.
الف-نيروهاي باندي
اين نيرو براي توصيف پيوند بين دو اتم استفاده ميشود.اين نيرو انواع زيادي دارد از جمله اين نيروهاي مهم:
(2-21)
(2-22)
(2-23)
(2-24)
انتخاب هر کدام از این نیروها بستگی به این دارد که ضرایب مناسب برای آن ماده وجود دارد یا نه.
ب-نيروهاي زاويه اي
از اين نيرو براي محاسبه انرژي يك زاويه خاص استفاده ميكنند.انواع مختلف اين نيرو در زير معرفي شده اند.
(2-25)
(2-26)
(2-27)
(2-28)
(2-29)
ج-نيروهاي چرخش
از اين نيرو براي محاسبه انرژي بين 4 اتم متوالي كه يك زاويه چرخشي ميسازند استفاده مي شود.از جمله اين نيروها:
(2-30)
(2-31)
(2-32)
د-نيروهاي زاويه اي غير متعارف
اين نيرو براي محاسبه زاويه غير عادي استفاده مي شود.از جمله اين نيروها:
(2-33)
(2-34)
از محاسبات كوانتومي و دادهاي تجربي پايگاههاي اطلاعاتي براي انواع اين نيروها ساخته انداز جمله
CHARMM-AMBER-MM+-PCFF-COMPASS
به عنوان نمونه نيروهاي CHARMM به شكل زير فرمول بندي شده اند.

(2-35) انواع نيروها در پايگاه CHARMM
به عنوان مثال نيروي بين دو اتم كربن، توسط پتانسيل هارمونيك شبيه ساري شده.ضرايب ثابت اين پتانسيل از داده هاي تجربي و كوانتومي بدست آمده.]17[

شكل 2-1 ضرايب ثابت براي نيروي بين دو اتم كربن.]17[
اين مقادير ثابت براي مواد مختلف از جمله مولكولهاي كوچك-مولكولهاي زیستی-مولكولهاي بزرگ-اسيد آمينه-پروتيين-شكرها – انواع مختلف پليمرها و مواد نانويي محاسبه شده.يكي از زمينه هاي تحقيقاتي بيهنه كردن اين ضرايب براي ساختارهاي مختلف است.
نوع ديگري از اين پايگاهها از نوع CLASSII بوده.انواع توابع انرژي براي اين پايگاه به شكل زير است.]17[

شكل 2-2 نيروها در پايگاه CLASSII ]17[
نوع نيروها در اين پايگاه بسيار پيچيده است.دقت محاسبات در اين نوع بسيار بالا است ولي حجم محاسبات نيز افزايش زيادي مي يابد.
2-9 خواص استاتيكدما T: براي محاسبه دما مي‌توان از مدل گازي استفاد كرد .
(2-36)
پس دما وابسته به سرعت ذرات است .در طول شبيه سازي مي‌توان تمام پارامترهاي بالا را ذخيره كرده و دماي سيستم را هر زماني بدست آورد .
فشار : فشار يك سيستم از ذرات را مي‌توان از معادله ویرال بدست آورد .[16]
(2-37)
كه در آن >…..< يعني ميانگين روي چندين گام زماني.
3- انرژي داخلي:همان انرژي ذخيره شده در سيستم بوده و مي‌توان از مجموع انرژیهای جنبشی وپتانسیل بدست آورد .
4- خواص مهم ترموديناميكي :از روي مكان ذرات مي توان تمام خواص ترموديناميكي را بدست آورد.از جمله:
(2-38) ظرفیت گرمایی در حجم ثابت
(2-39) ضریب تراکم پذیری
(2-40) ضریب فشار دمایی
(2-41) ظرفیت گرمایی در فشار ثابت
(2-42)ضریب انبساط حجمی
(2-43)سرعت صوت
2-10 خواص ديناميكيديناميك مولكولي به دو شاخه تعادلي و غير تعادلي تقسيم مي شود . منظور از تعادل ، همان تعادل ترموديناميكي است كه در آن تمام خواص سيستم مانند دما –فشار و چگالي در تمام نقاط با هم برابر است.در حالت غير تعادلي يكي از خواص سيستم در فضا برابر نيست مانند پديده انتقال گرما كه در آن دما در نقاط مختلف متغيير است يا پديده پخش كه در آن چگالي تعادل ندارد.خواص سيستمهاي غير تعادلي در ديناميك مولكولي ، تحت عنوان كميتهاي ديناميكي شناخته شده است.خواص ديناميكي را مي توان از شبيه سازي ديناميك مولكولي بدست آورد.در ادامه برخي از اين خواص تعريف مي شود.
الف- ضريب پخش :براي يافتن D مي‌توان از معادله زير استفاده كرد:[18]
(2-44)
چون طبق تعريف براي D داشته [18].
(2-45)
مي‌توان به جاي معادله2-44 بالا از رابطه زير استفاده كنيم .
(2-46)
با ذخيره كردن مكان ذرات در هر زماني مي توان ضريب پخش يا همان نفوذ را براي ساختارهاي مختلف محاسبه كرد.يافتن اين ضريب بسيار مهم است و از روشهاي تجربي دشوار.
ب-چسبندگي
از معادله Navir-stokes داريم :[17]
(2-47)
اين معادله ، يكي از معادلات اساسي مكانيك سيالات است.با روشهاي MDمي‌توان نشان داد كه براي η مي‌توان نوشت .[17]
(2-48)
مي‌توان رسانش گرمايي و ما بقي كميتهاي وابسته به زمان را، در حال ديناميكي بررسي كرد .تمام معادلات بالا از مكانيك آماري گرفته شده است يعني از ارتباط بين کمیت های ميكروسكوپيك و ماكروسكوپيك. پس به طور كلي با داشتن نيروها مي‌توان مكان و سرعت تمام ذرات برحسب زمان را بدست آورد و از روي آن مي‌توان تمام خواص مكانيكي و ترموديناميكي و مابقي خواص سيستم رامحاسبه كرد.
2-11 کاربردهااز جمله کاربردهاي ديناميک مولکولي مي توان به موارد زير اشاره نمود :
1- يافتن مكان ذرات در ابعاد كوچك مانند برخورد ذرات با سطح که بطور تجربي بدليل زمان بسيار كوتاه در حدپيکو ثانيه و ابعاد كوچك در حدنانو متر بسيار دشوار و حتي غير ممكن است .ولي با ديناميك مولكولي مي‌توان براحتي اينكار را انجام داد و اثراتي مانند:نفوذ،لايه نشاني،پر سازي،جذب را بررسي كرد.
2- تمام خواص ماكروسكوپيك از جمله دما ، فشار ، ظرفيت گرمايي ومقاومت مكانيكي… يک سيستم تابعي از خواص ميكروسكوپيك آن مانند سرعت و مكان و انرژي ذرات است. لذا با داشتن اطلاعات ميكروسكوپيك براحتي مي‌توان تمام خواص ماكروسكوپيك را بدست آورد.
2-12 محدوديت‌هاي MDالف- استفاده از نيروهاي کلاسيک: در حالتهايي كه اثرات کوانتومي قوي مي‌شوند، تقريب کلاسيک MD ديگر جوابگو نخواهد بود.
ب- واقعيت نيروها: شبيه‌سازي MD تا وقتي رفتار واقعي سيستم را شبيه‌سازي مي‌کند که نيروي بين اتمي (پتانسيل) که در شبيه‌سازي در نظر مي‌گيريم، شبيه نيروهاي واقعي باشند که اتمها به هم وارد مي‌کنند.