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レナード=ジョーンズの可能性

1924
  • John Lennard-Jones
Laboratory scene with scientist performing molecular dynamics simulations using Lennard-Jones potential.

(画像はイメージです)

2 つの中性原子または分子間の相互作用のポテンシャルエネルギーを近似する、シンプルで広く使用されている数学モデル。長距離引力項 ([latex]propto r^{-6}[/latex]) と、 ファンデルワールス パウリ反発を表す急峻で短距離の反発項([latex]propto r^{-12}[/latex])を持つ力。式は[latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} – (frac{sigma}{r})^6][/latex]です。

レナード・ジョーンズポテンシャルは、原子間相互作用の本質的な物理を捉える上での単純さと有効性から、計算物理学と化学の基礎となっている。このポテンシャルは主に2つの特徴を記述する。引力部分、[latex]-(frac{sigma}{r})^6[/latex]は、 ロンドン分散力これは中距離から長距離で支配的です。[latex]r^{-6}[/latex] 依存性は、2 つの誘導双極子間の相互作用に対して理論的に正当化されます。反発部分、[latex]+(frac{sigma}{r})^{12}[/latex] は、2 つの原子が非常に接近し、それらの電子雲が重なり始めるときに発生する強い反発をモデル化しています。この反発は、パウリの排他原理の結果です。[latex]r^{-12}[/latex] 形式は、主に計算の便宜のために選択されました ([latex]r^{-6}[/latex] 項の 2 乗として) が、急な反発壁の妥当な近似を提供します。

このモデルにおける 2 つのパラメータには明確な物理的意味があります。[latex]epsilon[/latex] (イプシロン) はポテンシャル井戸の深さで、引力の強さを表し、[latex]sigma[/latex] (シグマ) はポテンシャルエネルギーがゼロになる距離で、原子の実効直径を表します。近似式ではありますが、レナード・ジョーンズポテンシャルは単純な非極性物質の特性を予測するのに非常に優れており、タンパク質、ポリマー、その他の材料をシミュレートするために使用されるより複雑な力場の基本的な構成要素となっています。

UNESCO Nomenclature: 2202
原子・分子物理学

タイプ

数理モデル

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ファンデルワールス力の理論 (キーサム, デバイ(ロンドン)
  • 量子力学におけるパウリの排他原理
  • ミーポテンシャルは、原子間ポテンシャルのより一般的な形式である。
  • 実在気体の状態方程式に関する初期の研究

アプリケーション

  • 分子動力学(MD)と モンテカルロ 単純な流体、固体、気体の(モンテカルロ)シミュレーション
  • 力場開発のための計算化学と材料科学
  • モデリング 熱力学 アルゴンなどの物質の特性と相図
  • 物理教育における原子間力の基本モデルを提供する

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • development of highly optimized force fields for protein folding simulations and drug discovery
  • ai-based methods to derive accurate interatomic potentials directly from quantum mechanical data
  • real-time simulation of material fracture and stress propagation
  • virtual screening of materials for gas storage (e.g., hydrogen, CO2) applications
  • design of self-assembling nanostructures through computer simulation
  • predictive modeling of 粘度 and transport properties in novel liquid mixtures
  • simulators for studying the early stages of crystal nucleation and growth
  • educational software for interactive exploration of atomic forces and phase transitions
  • algorithms for designing materials with negative thermal expansion
  • creation of digital twins for chemical reactors to optimize performance
Related to: Lennard-Jones potential, molecular dynamics, potential energy, intermolecular force, Pauli repulsion, ファンデルワールス, computational chemistry, simulation, force field, argon.

歴史的背景

レナード=ジョーンズの可能性

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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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