Моделирование адсорбции водного раствора несимметричного диметилгидразина в микропоре активированного угля методом молекулярной динамики Автор : 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 Адсорбция Адсорбция (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 уголь Активированный (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 - масса и радиус-вектор i-го атома системы МД - имитирование движений каждой частицы молекулярной системы с помощью Ньютоновских уравнений движения - полная энергия системы

10 Полная энергия Электростатическое взаимодействие Водородная связь Ван Дер Ваальсово взаимодействие Колебание хим. связь Торсионный угол Колебание валентных углов r Φ Θ O H rrr

11 Интегрирование Для 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

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 = (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)

Пикосекунд ( шагов)

21 Спасибо за внимание Лукин Сергей Игоревич (аспирант кафедры прикладной математики)