什么是势函数？
今天给大家介绍一下分子模拟中势函数、势函数的构建等知识，让大家对势函数能有更清晰深刻的认识，给大家的分子模拟工作带来些许帮助，那么什么是势函数呢？在分子模拟领域，势函数指的是描述了原子或分子间相互作用的函数。因为材料的性质其实很大部分决定于材料内部各原子间的相互作用行为，而原子间的相互作用行为则由原子间存在的相互作用所决定，所以如果能得到描述原子间相互作用的方法，就可以方便我们对材料的性质进行研究，而势函数就是其中一种广泛采用的方法。势函数的选取往往对分子模拟的结果起着决定性的作用，所以在分子模拟中选取合适势函数是十分必要的。势函数包括一些列的参数，如电荷、离子极化率、家具与原子密度等等。
我们知道，在周围的环境中，存在各种固体物质。固体物质具有一定的体积和形状，并且我们难以对固体进行压缩。在加热固体物质时，它们的体积常因热膨胀效应而有所增大。继续加热至固体物质熔点温度，就会熔化成为液体物质。如果继续加热液体物质，最后就会气化成气体。液体物质气化时，物质的体积将发生上百倍的膨胀。
物质由分子组成。如果把物质的上述性质与经典力学联系起来，就会得出分子间相互作用的概念。一方面，分子必须具有一个难以压缩的实心体，分子的实心体间具有强烈的排斥作用。所以，固体具有一定体积，又难以压缩。另一方面，由于分子的热运动，只有排斥作用的分子不可能凝结成液体或固体。因此，分子间必须存在相互吸引作用。He、Ne、H2 等难以液化的气体，分子间的相互吸引作用微弱，只有在极低温度下才能超过热运动能，液化温度很低。相反，W、Fe、Cr、C、Si 等单质，以及SiO2、BN、Al2O3 等巨分子物质，分子或原子间的相互吸引作用强烈，只有在很高温度下才被热运动能所克服，液化和气化温度很高。
不失一般性， 这里以单原子分子为例说明分子间相互作用及其性质。球形对称的单原子分子间的相互作用力，只与原子核间的距离r相关，可以以函数f(r)表示，如下图所示。
当两个分子间相距无穷远时，分子间没有相互作用，作用力为零。当它们相互靠近时，分子间产生相互吸引作用，作用力为负值。随着两个分子的不断靠近，分子间相互吸引作用不断增大。当两个分子间的距离达到r= rm时，吸引力达到最大值(负值)。两个分子继续靠近，分子间的相互吸引力开始迅速减小。最后，在r=r0这个距离，吸引力消失。这时，如果两个分子继续靠近，它们之间将相互排斥，作用力转化为正值。分子间的排斥力随分子间距离的减小而迅速增大。
换一个角度，也可以用分子间相互作用势函数表示分子间相互作用(右上角图)。势函数u(r)与分子间相互作用力函数f(r)间的关系如下
两个分子间的位置关系及其作用力正负的定义如下图示。分子间的相互作用力函数f(r)和势函数u(r)一一对应，有关的特征参数密切相关。例如，分子间相互作用力为零的距离对应势函数最小的距离，分子间吸引力最大的位置对应于势函数梯度最大的位置等。
势函数决定了物质的性质，是物质世界多样性的根源。相对于小分子体系的势函数，大分子体系的势函数更加复杂多样。可以认为，正是由于复杂多样的分子间的相互作用势函数，决定了胶体、高分子、生物分子以及超分子体系等复杂多样的性质。如果把这些复杂分子体系的结构单元作为整体，研究它们间的势函数，可以加深对这些复杂分子体系性质的认识。当前，超分子体系已成为现代化学研究的重要领域，通过设计超分子单元，可以控制超分子单元间的势函数，制造具有神奇性质的超分子体系。
今天关于势函数的介绍就到这里，相信大家对势函数已经有一个清晰的认识了，希望能给大家在分子模拟中的工作带来些许帮助。其实有不懂的知识概念可以查看相应的书本，本文中涉及的知识可以在《分子动力学模拟的理论与实践》——严六明 朱素华，中查询。
