煤炭结构具有高度复杂性、组分强烈非均质性以及形成过程的多变性，传统实验手段难以揭示其深层的微观机制。分子模拟作为一种可借助计算机技术追踪原子、分子动态行为的计算方法，已成为材料科学、化学工程及能源研究等领域的强大工具。本书系统介绍了用于煤分子模拟的ReaxFF反应力场（Coal-FF力场）在开发过程中的探索和实践。结合深度学习框架PyTorch和GPU并行计算技术，开发了高效ReaxFF力场参数优化程序，显著提升了参数优化的速度和精度；通过大规模量子化学计算，构建了高精度的训练集，并以此为基础成功参数化了Coal-FF力场；此外，还对新开发的Coal-FF力场进行了全面的验证，包括对几何结构和能量的重现能力以及在分子动力学模拟中的表现。希望通过本书与同行分享在煤炭ReaxFF反应力场开发方面的经验和技术，为煤分子模拟领域的研究者提供有益的参考和工具。
本书适合煤化学化工、矿业、计算材料学、分子模拟等相关领域的科研人员和学生阅读，也可为行业上下游研发和生产提供指导和参考。
张志强，太原理工大学教授，博士生导师。有二十余年的量子化学和分子模拟专业经验，长期致力于煤分子结构的检测和模型构建工作，首次构建了中国西山烟煤和晋城无烟煤的大尺度分子结构模型，这些模型包含多样且具有连续分子量分布的煤分子，与实验获得的结构参数相符度高，相比以往构建的平均分子模型，能更好的体现煤的结构特征和行为。研究过程中，先后开发了煤的HTREM图像分析软件VirtualFringe、煤结构建模软件VirtualCoal和Fullrmc-LammpsCoupling、ReaxFF反应力场参数优化软件Torch-ReaxFF，在Energy&Fuels等专业期刊发表相关论文多篇，并出版了专著《煤的分子结构表征与建模》。
第1章 煤分子模拟力场概论001
1.1 分子模拟在煤炭科学研究中的重要性002
1.1.1 揭示煤炭的微观结构与组成002
1.1.2 研究气体吸附与储层性能002
1.1.3 探索热解与燃烧过程的分子机制003
1.1.4 分析煤的力学性能与变形行为003
1.2 现有分子模拟力场简介003
1.2.1 势能函数004
1.2.2 常见力场种类006
1.3 分子力场参数计算方法011
1.3.1 基于实验数据的拟合方法011
1.3.2 基于量子化学计算的方法012
1.3.3 力场参数拟合软件013
1.4 不同分子力场在煤炭研究中的应用014
1.4.1 非反应力场014
1.4.2 反应力场015
1.4.3 模拟力场比较016
参考文献018
第2章 煤分子ReaxFF 力场训练集分子选择023
2.1 煤的分子结构特点024
2.1.1 煤分子结构化学研究方法024
2.1.2 煤分子结构仪器研究方法025
2.2 煤的分子结构模型035
2.2.1 煤平均分子结构模型035
2.2.2 大尺度煤结构模型038
2.3 煤反应力场训练集分子组成039
2.3.1 训练集分子选择依据039
2.3.2 训练集分子组成040
2.3.3 训练集分子选择可行性043
参考文献044
第3章 煤分子ReaxFF 力场训练集数据计算050
3.1 量子化学方法简介051
3.1.1 分子轨道理论051
3.1.2 密度泛函理论053
3.1.3 基函数058
3.1.4 赝势方法060
3.1.5 范德华力矫正061
3.2 计算软件062
3.2.1 Gaussian 062
3.2.2 Quantum ESPRESSO 065
3.3 DFT 基准数据集制备069
3.3.1 计算方法与参数设置069
3.3.2 DFT基准数据集组成074
参考文献077
第4章 煤分子ReaxFF 力场参数优化程序设计080
4.1 ReaxFF 反应力场081
4.1.1 ReaxFF反应力场特征081
4.1.2 ReaxFF反应力场函数形式082
4.2 深度学习094
4.2.1 从机器学习到深度学习094
4.2.2 人工神经网络095
4.2.3 深度学习框架100
4.2.4 PyTorch 101
4.3 GPU 加速技术103
4.3.1 引言103
4.3.2 GPU 计算架构104
4.3.3 GPU 在深度神经网络中的作用104
4.3.4 GPU 加速实践106
4.4 ReaxFF 反应力场参数优化程序设计107
4.4.1 引言107
4.4.2 程序架构108
4.4.3 数据预处理模块115
4.4.4 势能计算模块128
4.4.5 参数优化模块130
4.4.6 程序特点134
参考文献135
第5章 煤分子ReaxFF 力场参数化137
5.1 力场训练文件138
5.1.1 训练集构建138
5.1.2 初始力场文件138
5.1.3 参数文件139
5.2 煤分子ReaxFF 反应力场优化实践139
5.2.1 程序运行准备139
5.2.2 程序性能142
5.2.3 力场参数化145
参考文献146
第6章 煤分子ReaxFF 反应力场验证148
6.1 分子结构优化方法149
6.1.1 单纯型法149
6.1.2 直线搜寻法150
6.1.3 最速下降法150
6.1.4 共轭梯度法151
6.1.5 牛顿-拉普森法151
6.1.6 BFGS法152
6.1.7 L-BFGS法152
6.2 分子动力学计算原理154
6.2.1 发展历史154
6.2.2 基本思想155
6.2.3 积分方法155
6.2.4 边界条件159
6.2.5 非键相互作用处理160
6.2.6 分子动力学统计系综163
6.2.7 计算流程170
6.2.8 第一性原理分子动力学172
6.3 LAMMPS 软件176
6.3.1 概述176
6.3.2 核心特性与功能177
6.3.3 应用领域178
6.3.4 输入脚本文件179
6.3.5 data数据文件181
6.4 DFT 拟合数据验证185
6.4.1 几何结构拟合能力185
6.4.2 能量曲线拟合能力189
6.5 Coal-FF 力场泛化能力验证193
6.5.1 几何结构验证193
6.5.2 能量曲线验证195
6.6 分子动力学模拟197
6.6.1 烟煤体系197
6.6.2 无烟煤体系198
参考文献200
附录一 Coal-FF ReaxFF 反应力场参数202
附录二 Coal-FF 力场对DFT 数据的还原能力209
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