隨着全球對可持續發展的關注日益增加，加上納米技術應用愈來愈廣泛，促使不少科學研究向微觀（Microcosm）推進，希望能夠在微觀尺度（Microscopic scale）中進行分析及研究，探索出更先進和穩固的環保建築材料，而「分子動力學」（Molecular Dynamics）是其中一個研究工具。今次我們會跟大家簡單介紹什麼是分子動力學，並探討科學家及工程師如何通過分子動力學模型去研究高階建築材料，以及在微觀和宏觀（Macrocosm）上的挑戰。
從分子動力學了解建材結構
人類會慢慢變老，建築物也一樣。儘管大多數建築材料都擁有良好的性能，但隨着時間過去，都會出現損耗或老化的問題，特別是在溫度和濕度影響的情況下，這可能導致建築物的結構性能下降、耐久性降低，構成建築物的安全問題。雖然我們可以對現有的建築結構進行保養和修復，或使用具有良好環境耐受性和抗疲勞性的纖維增強聚合物（FRP）等新型建築材料，但不少科學家及工程師仍致力從建築材料的結構入手，以控制和預防建材老化問題。
在傳統方法上，我們可以通過實驗推斷建築材料的性能，但往往只能從實驗結果去推敲材料老化的機制。隨着納米技術的進步，科學家及工程師研發出通過微觀的模型實驗去了解建築材料的結構，為建築材料研究領域打破僵局，提高了建築材料的性能，減慢了它們的老化過程；而分子動力學就是在微觀尺度上的一種重要研究方法和模型，可有助科學家及工程師對建材的結構進行分析，推進高階建築材料的發展。
建立模型預測材料性能
分子動力學是一種用於模擬分子系統運動的計算方法。它是基於量子力學的原理，通過電腦模型計算，模擬原子和分子之間的相互作用力，尤其是單個原子的物理運動的軌跡。分子動力學模型可以提供關於分子系統的詳細信息，例如原子的位置、速度、能量以及它們之間的相互作用，因此工程師可以通過模型得悉建築物料的結構。
通過分子動力學模型，我們可以從對應的實驗和顯微鏡觀察來了解分子的結構，然後使用精準的「力場」（Forcefield）解釋分子之間的關係；其後再通過量子力學和牛頓力學計算，便可以知道不同距離下分子之間所需的相互作用力。
藉着超級電腦的模擬和計算數據，我們可以對建築材料的結構和性能進行更準確的預測，例如可以模擬不同溫度和濕度情況下，建築材料中分子的運動和相互作用，以了解材料的熱脹冷縮、材料的耐久性及潮濕度對結構有何影響等。
此外，分子動力學模型還可以用於研究新型建築材料的開發。科學家可以設計和模擬不同結構和成分的材料，並預測它們的性能。這種模型可以幫助科學家選擇最適合的特定應用材料，並優化其性能，例如提高強度、降低重量、增加彈性等。
這種基於分子動力學模型的設計方法可以節省大量的實驗時間和成本，加快新材料的研發進程。
微觀答案如何套用到現實成未來關鍵
雖然我們可以從微觀分析建築材料的結構，但在微觀世界所得出的數據，與現實生活亦存有時間和空間上的差距，以往一直有科學家對兩者不接軌的原因感到不解，經過不少科學研究，我們理解到由於微觀和宏觀的尺度不同，因此不能以同一個模型應用於兩者，所以，怎樣令微觀所得出的答案套用於現實生活，成為了未來的關鍵挑戰。
若需要在宏觀及微觀世界中將訊息互通，科學家及工程師就要在不同尺度上進行模型實驗。通過分子動力學模型和其他計算的方法，例如量子力學等，多尺度的模擬方法能幫助工程師更全面理解建築材料，繼而克服時間和空間上的限制，最後得出一個能夠對應我們的日常生活的宏觀答案。
◆ 授課人：劉特斌 香港青年科學院創院院士、香港城市大學建築學及土木工程學系教授
◆ 圖、文：香港科學院提供
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