分子动力学是一种可以在原子或分子层面研究体系动力学过程的计算机模拟方法，它通过求解由原子核和电子等构成的多体系统模拟原子核的运动过程。根据Born-Oppenheimer近似，原子核的运动和高速的电子运动可以分开考虑，在忽略原子核运动的量子效应下，可以用经典力学的理论描述原子核的运动。Wainwright 和Alder 于1957年首次在硬球模型下借助分子动力学方法求解了气体和液体的状态方程,开创性地通过分子的微观运动来研究体系的宏观性质。

解析理论虽然可以部分地解释实验，但由于采用了很多近似，往往会忽略一些细节;而通过分子动力学模拟的方法可以观察到体系的原子运动的微观细节，进而得到更详细的体系信息，有效弥补实验的不足。随着计算机软硬件技术的快速发展，分子动力学的计算速度不断提高，越发显示出其成本低、计算速度快、适用范围广、准确度较高和可观察微观细节等优点，目前该技术已经广泛用于物理、电子、材料、化学、化工和生命科学等领城。

分子动力学的模拟过程需选择势函数、边界条件和系综描述等14。在分子动力学模拟中，确究原子间的势函数十分重要，这是因为原子间的势函数有多种形式，因此应根据不同的研究对象采用相应的势参数。势参数一般可以通过实验拟合、量子力学计算和蒙特卡罗法等方法来确定。分子动力学模拟的是有限粒子数的系统，但仍可以利用统计物理的规律来描述系统的性质。

分子动力学方法可计算原子在外场作用下的动力学过程，可应用于与纳米器件相关的微观问题研究，如材料生长、材料预测、离子注入和器件的微观机理等。例如，Onofrio 等人利用分子动力学方法对阻变材料在电场下的原子运动进行了模拟，指出阻变状态改变所需的时间从数百飞秒到数纳秒; Merchant等人利用分子动力学方法，结合实验对石墨烯纳米孔在脱氧核糖核酸(DNA)测序方面进行了研究。阻变存储器导电细丝形成和断开的分子动力学过程如图10-55所示。