晶体分子动力学（MD）模拟以原子/分子为基本单元，通过数值积分运动方程追踪粒子在晶体势场中的运动轨迹，从而研究晶体的热力学性质（熔点、比热）、动力学性质（声子、扩散、相变）与缺陷行为。与液态或气态不同，晶体中粒子被束缚在晶格位置附近做振动，其位移幅度远小于晶格常数，因此晶体相的行为特征为”局域化振动 + 长程有序”。
冰（Ice Ih）是水在常压低温下的晶体相，其六方冰晶格中的水分子通过氢键构成四面体网络。研究冰的动力学行为对理解冰川、极地气候、冷冻生物学与防冰材料具有重要意义。本项目以 TIP4P/2005 水模型构建冰晶，开展晶体 MD 模拟，对比晶体相与液相的结构与动力学差异。
TIP4P/2005 是四点水模型：一个氧原子、两个氢原子及位于 O-H 平分线上、不带电荷的 M 点（携负电荷）。该模型通过精确复现水的相图、密度异常与熔点（约 250 K 附近的实验冰点经修正）而成为研究冰与水相变的首选模型之一。其刚性几何固定，通过 Lennard-Jones 与库仑相互作用描述水-水作用。
均方位移 MSD(t) = <|r(t) − r(0)|²> 描述粒子随时间离开初始位置的均方距离。对固体，MSD 达到平台值（粒子的最大振动位移平方）；对液体，MSD 随时间线性增长，其斜率与自扩散系数 D 成正比（爱因斯坦关系 D = lim MSD/(6t)）。通过对比晶体相与液相 MSD 的形态差异，可直观判断物态。
晶体相 g(r) 具有尖锐的长程峰（对应远距离晶格矢量），而液相 g(r) 在几个配位壳层后衰减为 1。g(r) 的长程行为是”晶体 vs 液体”最直接的判据。此外，晶体的氧-氧四面体角分布集中，反映氢键网络的有序性。
图 14 的左面板给出冰晶（蓝色）与液态水（橙色）的均方位移 MSD 对比（双对数坐标）。冰晶的 MSD 在初始短暂上升（约 0.1 Ų）后迅速达到平台（约 0.05 Ų，红色虚线标注），反映水分子被束缚在晶格位置做有限振幅振动——这正是晶体相的本质特征；液态水的 MSD 则随时间线性上升（橙色直线斜率对应 D ≈ 2.3×10⁻⁹ m²/s，与实验值同量级），说明分子可以自由迁移。两曲线的鲜明对比直观区分了固/液两态：晶体”锁定”、液体”流动”。
图 14 的右面板给出冰晶的氧-氧径向分布函数 g(r)（蓝色曲线）。与液态水不同，冰的 g(r) 出现一系列尖锐且延展至远距离的峰：第一峰位于 2.75 Å（氢键最近邻，红色虚线标注），第二峰约 4.5 Å，第三、第四峰在 6–8 Å 处仍清晰可辨，且峰形窄、强度高。这种长程振荡是晶体周期性结构的直接体现——每个峰对应一个晶格配位壳层。若将液相 g(r)（橙色虚线）叠加对比，可看到液相在 5 Å 之后已衰减至 1，而冰晶仍保持明显有序，量化展示了”晶体长程有序 vs 液体短程有序”的结构差异。
两面板结合，左面板从动力学角度（MSD）证明冰晶粒子被束缚振动，右面板从结构角度（g(r)）证明冰晶存在长程有序，共同构成”晶体相”的完整证据链，为后续研究冰的融化、晶格缺陷与表面预融行为奠定基础。
本项目采用 TIP4P/2005 模型开展了冰晶 1 ns 的分子动力学模拟，MSD 在 0.05 Ų 处达平台，g(r) 呈现延伸至 8 Å 以上的长程尖锐峰，与液态水的短程有序形成鲜明对比。案例图以 MSD 对比曲线与 g(r) 曲线双面板呈现。
后续可拓展：(1) 升温跨越冰的熔点，原位观察固-液相变与晶格融化过程；(2) 研究冰面预融层（premelting）的厚度与结构；(3) 引入冰-水界面，模拟防冰材料表面的结冰动力学。
