3. LAMMPS输入脚本结构精讲

LAMMPS 的输入脚本本质上是一份“按顺序执行的建模与仿真指令清单”。它不像很多图形软件那样把模型存成工程文件，而是用文本命令一步步把原子体系、力场、初始条件和输出搭起来。理解脚本结构，关键不是背命令，而是弄清每条命令在“建模—初始化—运行—输出”这条链上处于什么位置、影响什么对象。本节围绕 units、atom_style、boundary、newton 四个全局设定，read_data 与 create_atoms 两个建模入口，以及 velocity、fix nve 初始化和 thermo 输出控制展开。

全局设定：先定“度量衡”和“原子长什么样”

units 决定整份脚本使用哪套单位制，必须在建模命令之前设定。常用 units metal：长度 Å、能量 eV、时间 ps、质量 g/mol、温度 K、压强 bar。若误用 units real（长度 Å、能量 kcal/mol、时间 fs），同样的数值会得到完全不同的物理结果。因此单位制一旦确定，后续所有参数都必须与之匹配。

atom_style 决定每个原子携带哪些属性字段。做金属或简单液体用 atom_style atomic，只有坐标和类型；做带电体系用 atom_style charge，多出电荷字段；做分子或聚合物用 atom_style full，包含键、角、二面角等信息。它必须与数据文件或 create_atoms 提供的信息一致，否则读入时会报字段不匹配。

boundary 设定三个方向的边界条件，p 为周期性、f 为固定、s 为收缩包裹。例如 boundary p p f 表示 x、y 周期、z 方向固定，适合模拟表面或薄膜。边界条件直接决定原子能否跨越盒面、是否需要镜像，是后续 fix 选择的前提。

newton 控制牛顿第三定律在计算中的使用方式，newton on 让成对相互作用只算一次，效率更高，是多数场景的默认选择；某些特殊势或并行分解下才需要关闭。它属于性能与数值一致性层面的开关，通常放在脚本前部统一设定。

建模入口：read_data 与 create_atoms 的分工

建模入口决定原子从哪里来。read_data 从外部数据文件读入完整体系，文件里包含原子数、类型、盒子尺寸、坐标，若 atom_style 更复杂还包含键、角、电荷等。它适合已有结构文件（如用 Materials Studio、Atomsk 或脚本生成的晶格）的场景。典型写法：

read_data system.data

数据文件头部通常有 atoms、xlo xhi、ylo yhi、zlo zhi 等字段，随后是 Atoms 段，每行给出原子 ID、类型、坐标。若 atom_style 与文件字段数不一致，LAMMPS 会直接报错，因此两者必须同步。

create_atoms 则在脚本内直接生成原子，常用于规则晶格或简单填充。例如先定义盒子：

region box block 0 10 0 10 0 10
create_box 1 box
create_atoms 1 box

这里 create_box 声明盒子与原子类型数，create_atoms 在盒子内按指定样式放置原子。默认是 box 随机填充，也可用 lattice 配合 create_atoms 1 box 生成规则晶格。注意：read_data 与 create_atoms 不能同时用于同一批原子，否则会重复建模。

初始化：velocity 与 fix nve

原子有了坐标还不够，分子动力学需要初始速度。velocity 命令给原子组赋初速度，常用两种方式：一是按温度随机生成，二是按指定方向赋恒定速度。例如：

velocity all create 300.0 12345 dist gaussian

这表示给 all 组原子按 300 K 生成高斯分布速度，随机种子 12345。种子不同，速度分布不同，但统计性质一致。若做拉伸或冲击模拟，可用 velocity all set 0.0 0.0 0.01 给 z 方向一个恒定速度。

fix nve 是时间积分器，负责按牛顿方程更新位置和速度：

fix 1 all nve

它必须与 velocity 配合使用：velocity 给初速度，fix nve 在每一步推进。若只写 fix nve 而不给初速度，原子从静止开始，温度会从 0 逐渐升高，物理上也可行，但通常不是我们想要的初始状态。注意 fix nve 只做积分，不控温；若需要恒温，应改用 fix nvt 或 fix langevin。

thermo 输出控制：让运行过程可观察

thermo 控制屏幕输出频率，thermo_style 控制输出哪些字段。默认每 100 步输出一次，字段包括步数、温度、能量、压强等。常用写法：

thermo 100
thermo_style custom step temp pe ke etotal press vol

这样每 100 步打印一次步数、温度、势能、动能、总能量、压强和体积。若想输出到文件，用 thermo_modify 或 dump 命令。thermo 的数值是判断体系是否平衡、能量是否守恒的第一手依据：温度应在目标值附近波动，总能量在 NVE 下应基本守恒，若持续漂移则说明时间步长过大或势函数有问题。

一份可参考的最小脚本骨架

units metal
atom_style atomic
boundary p p p
newton on

read_data system.data

pair_style eam/alloy
pair_coeff * * Al99.eam.alloy Al

velocity all create 300.0 12345 dist gaussian
fix 1 all nve

thermo 100
thermo_style custom step temp pe ke etotal press vol

timestep 0.001
run 10000

这份骨架覆盖了本节全部核心命令。实际使用时，把 read_data 换成 create_box + create_atoms 即可切换到脚本内建模；把 fix nve 换成 fix nvt 即可做恒温模拟。理解每条命令在链上的位置，比记住命令本身更重要。