Моделирование адсорбции водного раствора несимметричного
диметилгидразина в микропоре активированного угля методом
молекулярной динамикиАвтор: Лукин Сергей
(аспирант кафедры прикладной математики)
Научный руководитель: Меньшиков Л. И.
Архангельск, 2013
2
- Теоретические исследования молекулярных систем
- Исследование свойств веществ
- Синтез веществ с заданными свойствами
Вычислительный эксперимент
Метод изучения устройств или физических процессов с помощью математического моделирования
3
Цель
Продемонстрировать эффективность использования методов вычислительного эксперимента при решении прикладных задач физической химии, характерных для арктического региона.
4
Несимметричный диметилгидразин
Несимметричный диметилгидразин (НДМГ, «гептил», 1,1-диметилгидразин) — компонент высококипящего (имеющего температуру кипения выше 0 °C) ракетного топлива
Обладает сильным токсическим и мутагенным действием. 1й класс опасности
Космодром «Плесецк»
5
АдсорбцияАдсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — это повышение концентрации одного вещества (газ, жидкость) у поверхности другого вещества (жидкость, твердое тело).
Адсорбция — всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами.
6
Активированный угольАктивированный (или активный) уголь (от лат. carbo activatus) — это адсорбент - вещество с высоко развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения
7
Модель раствора в поре угля
8
Молекулярная динамика
• МД – метод молекулярного моделирования, позволяющий имитировать движение каждой частицы молекулярной системы с помощью пошагового интегрирования Ньютоновских уравнений движения.
- Хорошая аппроксимация
- Простота реализации- Распараллеливание- Эффективность
- Объём вычислений- Моделирование
небольших временных интервалов
- Только макропараметры
9
Механизм МД
i i im a F
1( , , )i ni
F U r rr
- масса и радиус-вектор i-го атома системы
МД - имитирование движений каждой частицы молекулярной системы с помощью Ньютоновских уравнений движения
,i im r
U - полная энергия системы
10
Полная энергия
2 2
0 0bonds angles dihedrals
12 10 12 6Hbonds van der Waals electrostatic
, pairs , pairs
1 cosb
ij ij ij ij i j
ij ij ij ij iji j i j
U K r r K K n
C D A B q q
r r r r r
Электростатическое взаимодействие
Водородная связь Ван Дер Ваальсово
взаимодействие
Колебание хим. связь
Торсионный угол
Колебание валентных
углов
r ΦΘ
+ ーO Hrr r
11
ИнтегрированиеДля получения траекторий движения атомов разработано несколько численных алгоритмов интегрирования уравнений МД (алгоритм Верле, leap-frog и т.д.).
Алгоритм Верле
Используя координаты и ускорение на шаге t и t – dt , получаем координаты на шаге t
2( ) 2 ( ) ( ) ( )t dt t t dt t t r r r a
12
Ход эксперимента
1. Создание начальной конфигурации моделируемой ячейки- Начальные координаты и скорости атомов- Граничные условия (например, периодические)
2. Ввод параметров системы- Параметры межатомного взаимодействия- Топология системы (хим. связи, углы и тд.)- Прочие параметры (температура, давление, шаг интегрирования …)
3. Минимизация системы- Коррекция положения атомов для минимизации энергии
4. Релаксация к положению термодинамического равновесия
5. Наблюдение, получение результатов
13
Программные пакеты
Ascalaph Designer, VMD, PyMOL, VegaZZ – создание модельной ячейки (визуальное конструирование молекул)
NAMD – пакет молекулярного моделирования, реализующий методы молекулярной динамики, монте-карло. Поддерживает мультипроцессорную обработку, есть кластерная версия.
Визуализация результатов – VMD, PyMOL
14
Параметры модели
Параметры межатомного взаимодействия и топологии:
T = 300К
Шаг интегрирования = 1.5 фс
Шагов моделирования = 100000 (0.15 наносекунды)
Атомы поры угля фиксированы
15
Создание модели молекулы в PyMOL
16
Файлы топологии и настроек NAMD
17
Начальная конфигурация в VMD
18
15 Пикосекунд (10000 шагов)
19
75 Пикосекунд (50000 шагов)
20
150 Пикосекунд (100000 шагов)
21
Спасибо за внимание
Лукин Сергей Игоревич(аспирант кафедры прикладной
математики)E-mail: [email protected]
Top Related