Ускорение расчетов молекулярной динамики путем введения
реклама
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 Вычислительный эксперимент Метод изучения устройств или физических процессов с помощью математического моделирования - Теоретические исследования молекулярных систем - Исследование свойств веществ - Синтез веществ с заданными свойствами 2 Цель Продемонстрировать эффективность использования методов вычислительного эксперимента при решении прикладных задач физической химии, характерных для арктического региона. 3 Несимметричный диметилгидразин Несимметричный диметилгидразин (НДМГ, «гептил», 1,1-диметилгидразин) — компонент высококипящего (имеющего температуру кипения в ыше 0 °C) рак етного топлива Обладает сильным токсическим и мутагенным действием. 1й класс опасности Космодром «Плесецк» 4 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. 5 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 6 Модель раствора в поре угля 7 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 8 Механизм МД МД - имитирование движений каждой частицы молекулярной системы с помощью Ньютоновских уравнений движения mi ai Fi Fi U (r1 , ri , rn ) mi , ri - масса и радиус-вектор i-го атома системы U - полная энергия системы 9 Полная энергия U Φ r Θ Колебание хим. связь Колебание валентных углов K r r K 2 b 0 0 bonds angles 2 Торсионный угол dihedrals K 1 cos n Cij Dij Aij Bij qi q j 12 10 12 6 rij van der Waals rij rij electrostatic rij Hbonds rij i , j pairs i , j pairs Водородная связь O r H Ван Дер Ваальсово взаимодействие r Электростатическое взаимодействие ＋ r ー 10 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 r(t dt ) 2r(t ) r(t dt ) t a(t ) 2 11 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 12 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 13 Параметры модели Параметры межатомного взаимодействия и топологии: T = 300К Шаг интегрирования = 1.5 фс Шагов моделирования = 100000 (0.15 наносекунды) Атомы поры угля фиксированы 14 Создание модели молекулы в PyMOL 15 Файлы топологии и настроек NAMD 16 Начальная конфигурация в VMD 17 15 Пикосекунд (10000 шагов) 18 75 Пикосекунд (50000 шагов) 19 150 Пикосекунд (100000 шагов) 20 Спасибо за внимание Лукин Сергей Игоревич (аспирант кафедры прикладной математики) E-mail: [email protected] 21
