LAMMPS 材料科学模拟

用 LAMMPS 做材料科学分子动力学模拟：晶体构建、势函数选择、形变/冲击、结构分析、可视化。

本 skill 故意保持轻量：

• 它负责告诉 agent 什么时候该用 LAMMPS、该遵守什么科学规范、完整工作流长什么样
• 它不承担完整接口手册的职责
• 具体命令、参数、语法、package 限制，统一去查 scholaraio toolref

Agent 默认协议（toolref-first）

对 LAMMPS 问题，agent 默认按这个顺序工作：

1. 先判断问题属于哪类对象：pair_style、fix、compute、dump、region、boundary、run 流程
2. 写输入脚本前，优先查高风险命令页，而不是凭记忆拼装
3. 命令名和用户说法不一致时，优先用 search 找主入口，再用 show
4. 如果 toolref 已能回答，就不要在 skill 里重复写手册
5. 如果 toolref 命中不好或某个 package 页面缺失，agent 应先完成任务，再把它标记为维护层缺口，而不是让用户自己补

这意味着：

• 用户不该自己去打磨 fix / pair_style 的映射关系
• agent 应自己消化 fix npt -> fix_nh、pair style eam -> pair_eam 这类入口差异
• 只有反复出现的缺口才进入正式 onboarding

前置条件

# 安装（含 GPU 支持）
conda install -c conda-forge lammps
# 可视化
pip install ovito

验证：lmp -h 应显示已安装的 packages（需包含 GPU、MANYBODY、EXTRA-COMPUTE）。

GPU 加速：package gpu 4 在输入脚本开头启用，suffix gpu 自动为支持的 pair_style 加 /gpu 后缀。

并行运行约束：

• 启动 MPI 作业时，优先使用 LAMMPS 所在环境自带的 mpirun/mpiexec
• 不要默认混用系统里的另一套 MPI launcher；如果 lmp 链接的 libmpi 与 launcher 不一致，可能出现“进程活着但无日志输出”的假启动挂起
• 需要绑核或做 rank pinning 时，先用小规模 MPI 诊断确认启动和绑定语法，再放大到正式规模

何时使用

适合：

• 金属、陶瓷、半导体、纳米材料的经典 MD
• 力学性质、相变、位错/缺陷演化、冲击波、热输运
• 已有合适经验势函数的体系

不适合：

• 需要显式电子结构精度时，优先考虑 DFT / Quantum ESPRESSO
• 势函数没有可靠文献依据时，不要直接开算

Toolref 优先

当 agent 不确定命令、参数、限制、输出字段时，先查 toolref，再写输入脚本。

常用查法：

scholaraio toolref search lammps "nose hoover thermostat"
scholaraio toolref show lammps fix_nh
scholaraio toolref show lammps pair_eam
scholaraio toolref show lammps compute_cna_atom
scholaraio toolref show lammps fix_deform

推荐习惯：

• 写脚本前先查 pair_style / fix / compute / dump
• 遇到 package 依赖时先用 toolref show 看 Restrictions
• 遇到模糊概念先用 toolref search，确定候选命令后再 show

如果遇到覆盖缺口：

• 先用官方 LAMMPS 文档继续完成任务
• 明确说明这里是 toolref 覆盖/排序缺口，不是用户操作错误
• 不要让用户为了当前任务先停下来维护文档层
• 如果官方手册没有解释清楚实际运行异常、MPI 启动问题、版本兼容或绑定语法，继续上网检索官方文档、社区讨论和已知问题，不要猜

核心流程

知识库协作模式

1. 用 scholaraio usearch "<材料/现象>" 检索相关论文
2. 从论文提取：势函数选择、晶格常数、实验基准值（相变压力、弹性常数等）
3. 在输入脚本注释中标注参数来源
4. 计算完成后与文献数据定量对比

建议按这个顺序思考：

1. 体系是否适合经典势函数
2. 选择哪类势函数
3. 选择边界条件、加载方式、温压控方式
4. 选择结构分析与输出
5. 跑小体系/短步数 smoke test
6. 正式运行后和文献/实验做定量对比

参数出处规则：

• 严格复现任务里，先查库内已入库论文和补充材料
• 如果关键参数仍然缺失，需要别的论文或 supplementary 才能定死，应直接向用户明确索取，不要猜
• 只有当文献明确允许范围选择时，才可以做工程性取值，并要说明这是“派生设置”而不是“严格复现参数”

势函数选择（最关键决策）

势函数文件来源：

• NIST Interatomic Potentials Repository: https://www.ctcms.nist.gov/potentials/
• LAMMPS potentials/ 目录（随发行版附带）
• 论文 supplementary material

科学规范：势函数选择必须有文献依据，不能随便选一个"能跑"的。

典型任务

• 冲击波 / 爆轰 / 高应变率：重点看非周期边界、活塞施加方式、空间剖面输出
• 拉伸压缩：重点看 fix deform、应力应变提取、应变率合理性
• 温度驱动相变：重点看升温速率、平衡充分性、结构识别
• 缺陷与位错：重点看结构分析和可视化，不只看总能量

常用结构分析：

• cna/atom：区分 BCC/FCC/HCP
• ptm/atom：更稳健的局域结构识别
• centro/atom：缺陷检测
• voronoi/atom：局域环境统计

这些命令的准确接口、参数和限制请直接查 toolref。

可视化（OVITO）

OVITO 是 LAMMPS 的标准可视化工具。

from ovito.io import import_file
from ovito.modifiers import CommonNeighborAnalysisModifier, SliceModifier
from ovito.vis import Viewport, TachyonRenderer

pipeline = import_file("dump.shock.*", sort_particles=True)
pipeline.modifiers.append(CommonNeighborAnalysisModifier())

# 按结构类型着色
def color_by_phase(frame, data):
    import numpy as np
    colors = np.zeros((data.particles.count, 3))
    cna = data.particles["Structure Type"]
    colors[cna == 3] = [0.3, 0.5, 0.8]   # BCC → 蓝
    colors[cna == 2] = [0.85, 0.15, 0.15] # HCP → 红
    colors[cna == 1] = [0.2, 0.8, 0.2]    # FCC → 绿
    colors[cna == 0] = [0.7, 0.7, 0.7]    # Other → 灰
    data.particles_.create_property("Color", data=colors)

pipeline.modifiers.append(color_by_phase)

vp = Viewport(type=Viewport.Type.ORTHO, camera_dir=(0, -1, 0))
vp.zoom_all(size=(1920, 1080))
renderer = TachyonRenderer(shadows=False, ambient_occlusion=True)
vp.render_image(filename="snapshot.png", size=(1920, 1080), renderer=renderer)

推荐输出：

• 结构类型着色快照或动画
• 应力/温度/速度的空间剖面图
• 与文献基准的对比图，而不是只给一张原子图

性能参考

科学规范

Agent 行为准则

• 不要凭记忆瞎写 fix / compute / pair_style 细节，先查 toolref
• 不要因为“能跑”就默认模型合理，必须说明势函数和参数依据
• 不要只汇报温度/能量曲线，要给结构、相分数、应力或波前等材料学指标
• 不要把 LAMMPS 当黑箱；结果解释必须回到材料机制