Метод молекулярной динамики с непостоянным силовым полем для моделирования эффектов электронного переноса

Главная » Литература » Тезисы » Метод молекулярной динамики с непостоянным силовым полем для моделирования эффектов электронного переноса
Автор: Расковалов А.А., Ильина Е.А.
Год издания: 2016

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, г. Екатеринбург

Классический метод молекулярной динамики (МД) исследует эволюцию системы, состоящей из многих частиц, интегрируя Ньютоновские уравнения движения. Данный подход подразумевает то, что атомистическая система ведет себя аналогично механической, что делает невозможными рассмотрение квантовых эффектов. Кар и Паринелло [1] разработали метод, позволяющий включить электронное взаимодействие в системе, с помощью решения уравнений неэмпирической квантовой механики. К сожалению, данный метод является очень ресурсоёмким, так как даже единичный расчёт многоэлектронной системы квантовыми методами требует большого количества машинного времени. Для набора достаточной статистики методом МД необходимо повторять такие вычисления не менее десятков тысяч раз, чтобы наблюдать траектории движения атомов. В данной работе разработано новое расширение классического метода МД, позволяющее учесть один из квантовых эффектов, перенос электронов, без привлечения трудоёмких квантово-химических вычислений.

Для реализации предложенного алгоритма в структуре данных программы необходимо ввести дополнительные характеристики для каждого типа частиц, а именно: возможность быть донором электронов, возможность быть акцептором электронов, индексы сопряженных частиц, в которые превращаются доноры и акцепторы после акта электронного переноса. Алгоритм заключается в поиске пар атомов, способных к обмену электронами. Согласно принципу Фрэнка-Кондона [2, 3], при безызлучательном переносе электронов энергии исходного и конечного состояния должны совпадать. Если алгоритм находит пары донор-акцептор, удовлетворяющие этим условиям, то электронный перенос осуществляется с заданной вероятностью, при этом частица донора переходит в своё окисленное состояние, а акцептора – в восстановленное. Достоинство метода заключается во включении явлений электронного переноса в классический метод молекулярной динамики, что позволяет моделировать многие электрохимические процессы и транспортные свойства материалов, обладающих смешанной ионно-электронной проводимостью.

Пробные расчеты на персональном компьютере с частотой процессора 2,4 ГГц показали, что включение предложенного алгоритма в классический численный эксперимент методом МД незначительно увеличивает длительность вычислений. Время работы программы увеличивается не более чем на 8%, причем с увеличением размера моделируемой системы, доля машинного времени, приходящегося на моделирование явлений электронного переноса, снижается.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-33-60095 мол_а_дк.

Литература

  • 1. Car R., Parrinello M. // Phys. Rev. Lett. 1985. 55. 2471–2474.
  • 2. Franck J., Dymond E.G. // Trans. Faraday Soc. 1926. V. 21. P. 536–542.
  • 3. Condon E. // Phys. Rev. 1926. V. 27. P. 637–644.