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: Sergey.Lukin@gmail.com