2016年9月11日，计算力学领域顶级刊物International Journal for Numerical Methods in Engineering在线刊登了北京大学工学院刘剑飞课题组的研究论文“An Automatic Method for Generating Carbon Nanostructure Atomistic Models using Hexagonal Meshes with Properly Distributed Defects ” 。 该论文基于有限元网格剖分技术提出了任意构型碳纳米结构自动建模方法，开发了快速、高效、精确的自动建模工具。这一技术有望取代当前主观、低效、繁重的手动建模方式，为碳纳米领域研究提供助力。


建立原子模型是运用分子动力学等数值模拟方法研究碳纳米新材料的首要步骤。目前的主要建模手段是手工方式。虽然一些自动建模工具已经被开发，但这些工具只能用来建立简单规则的碳纳米管、石墨烯和富勒烯的原子模型。随着碳纳米领域研究的深入和应用领域的拓展，实验中发现和研究人员设计的碳纳米结构越来越复杂，规模越来越庞大，对建模工具的要求也日益提高。现有建模方法已无法满足复杂碳纳米结构建模需求，严重制约了碳纳米新材料的研究进展。
刘剑飞课题组基于碳纳米结构物理特性及几何构型，创新性地将有限元网格技术引入碳纳米领域，将碳纳米结构原子模型建立问题转化为准六边形网格剖分问题，巧妙地提出了一套简单易行的任意构型碳纳米结构原子模型建立算法。该算法总体思路如下：首先使用计算机辅助设计软件构建三维曲面模型来描述碳纳米结构几何外形；之后用球填充方法对三维曲面模型剖分，得到高质量初始三角形网格；然后对初始网格进行拓扑优化并将三角形网格转化为准六边形网格，即碳纳米结构原子模型。论文用三类实例展现了新方法的建模能力：图1是多个碳纳米管相交构成的复杂结构，图2是多个石墨烯构成的晶界模型，图3是石墨烯、富勒烯、碳纳米锥、纳米管组合而成的模型。







（图1）碳纳米结构自动建模算法主要步骤示意图：(a)创建CAD三维模型；(b)剖分三角形网格；(c)生成碳纳米结构原子模型（六边形网格）；(d)原子模型主视图；(e)原子模型分子节局部放大图。















（图2）三种多晶石墨烯原子模型











（图3）四种碳纳米结构的组合


该论文共同第一作者为力学系博士毕业生尚菲菲（现就职于广州中国科学院工业技术研究院）、硕士毕业生曾珍（现就职于ABB集团）。此外，陈婷菲以本科生科研实践的形式参与了这一工作。
编辑：山石