Моделирование redox реакций в жидкостях с помощью молекулярной динамики с непостоянным полем сил

А. А. Расковалов, А. А. Латыпов.

АННОТАЦИЯ

В работе показано применение метода молекулярной динамики с непостоянным полем сил для изучения окислительно-восстановительных реакций в жидких (в том числе, расплавленных) средах. Метод применен к системе ионов, законы взаимодействия между которыми заданы короткодействующими парными потенциалами в функциональной форме Леннард-Джонса и Кулоновским потенциалом. Электронный перенос между парами донор-акцпептор осуществлялся по специальным алгоритмам. В ходе численных экспериментов показано, что концентрации взаимодействующих ионов в системе изменяются, достигая некоторого стационарного значения. Сравнение результатов вычислений с термодинамически ожидаемыми величинами показало, что разность собственных энергий ионов должна включать не только величину ЭДС реакции, но и дополнительные слагаемые. Показано, что стационарные концентрации продуктов взаимодействия зависят от температуры, концентрации ионов и радиуса иона-растворителя. Показано, что с помощью данного метода можно разделять электронный перенос между разными парами донор-акцептор. В ряде численных экспериментов было обнаружено поведение системы, аналогичное наличию “инвертированной области” Маркуса.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

молекулярная динамика с непостоянным полем сил, окислительно-восстановительные реакции, электронный перенос, расплав, теория Маркуса.

DOI: 10.1134/S0235010618060063

Компьютерное моделирование многокомпонентных расплавов металлургических шлаков

Э. В. Дюльдина, Б. Р. Гельчинский, В. Н. Селиванов

АННОТАЦИЯ

Основываясь на экспериментальных данных о плотности, в приближении модели ионной связи в работе впервые осуществлено молекулярно-динамическое моделирование многокомпонентных оксидноFфторидных металлургических шлакообразующих систем: SiO2–CaO–Al2O3–MgO–CaF2–Na2O–K2O–FeO, проведено обсуждение результатов и сопоставление с литературными экспериментальными и расчетными данными. Полученная модель свидетельствует о слабой температурной зависимости структуры исследуемого расплава. Выявлена повышенная диффузионная подвижность ионов фтора, а также ионов щелочных металлов по сравнению с другими элементами.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

расплав, металлургический шлак, компьютерное моделирование, структура, свойства.

Образование дефектных и метастабильных структур при моделировании фазовых переходов методом кристаллического фазового поля

Д. В. Александров, И. О. Стародумов, Е. В. Павлюк, А. А. Иванов.

АННОТАЦИЯ:

Представлены результаты исследования компьютерного моделирования процессов фазового перехода при затвердевании вещества методом кристаллического фазового поля (Phase Field Crystal: PFC). Для указанного метода представлен безусловно устойчивый численный алгоритм, позволяющий эффективно решать нелинейные дифференциальные уравнения высоких порядков. Благодаря этому методу была создана компьютерная программа, позволяющая производить масштабное моделирование с использованием суперкомпьютеров. Однако, результаты модельных расчетов показали, что метод кристаллического фазового поля может приводить к метастабильным и дефектным решениям даже в тех случаях, которые не могут быть предсказаны натурными экспериментами или теоретическим анализом. В статье приводится анализ причин возникновения таких решений. Авторами формулируется способ дополнительной модификации метода кристаллического фазового поля, которая позволит учесть выявленные эффекты и избежать неверного толкования результатов компьютерного моделирования.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

кристаллическое фазовое поле, кристаллизация, кристаллические структуры, компьютерное моделирование, вычислительные методы.

Сольватация иона In(III) в кластерах (InCl3)n по данным квантово-химических расчетов

В. Ю. Бузько, Г. Ю. Чуйко, Х. Б. Кушхов

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты квантово-химического моделирования сольватации иона In(III) в кластерах состава (InCl3)n (n = 1–30). Потенциалы межатомных взаимодействий были описаны в приближении полуэмпирического квантовохимического метода MNDO/PM3. Рассчитанное среднее расстояние In-Cl в наиболее энергетически устойчивом кластере состава (InCl3)30 составляет 2.64 ± 0.15 Å. Также методом молекулярно-динамического моделирования в каноническом NVT-приближении с потенциалами MNDO/PM3 при температурах 850 и 870 К были изучены микроструктурные характеристики иона In(III) в модельном кластере (InCl3)30.

На основе выполненных расчетов сделан вывод, что расплавы InCl3 имеют сетчатую структуру с доминирующим комплексным анионом [InCl6]3– искаженного октаэдрического строения. Результаты молекулярно-динамического моделирования свидетельствуют, что в условиях расплавления модельных кластеров (InCl3)30 наблюдается понижение координационного числа иона In(III) от 5.98 до величины 5.92 в сетке расплава за счет образования более плотноупакованных комплексных анионов [InCl5]2–.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

трихлорид индия, сольватация, координационное число, квантово-химическое моделирование, молекулярно-динамического моделирование.

Расчёт коэффициентов самодиффузии в расплавленных смесях LiF-RbBr и LiF-CsBr методом молекулярной динамики

М. А. Кобелев, К. И. Олейник, А. С. Татаринов

АННОТАЦИЯ

Рассчитаны коэффициенты самодиффузии ионов составляющих взаимные расплавленные смеси LiF-RbBr и LiF-CsBr, находящиеся при температуре 1420 K во всём интервале концентраций в рамках метода классической молекулярной динамики. Показано, что характер микроскопического движения фторид-иона качественно меняется в зависимости от природы катиона формирующего ближайшее окружение. Так, во взаимной смеси LiF-RbBr при небольших концентрациях бромида рубидия ближайшее окружение фторид-иона способствует увеличению его коэффициента самодиффузии, несмотря на то, что плотность системы при этом увеличивается.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Галогениды щелочных металлов, молекулярно-динамическое моделирование, коэффициенты самодиффузии, модель жестких ионов.

Наблюдение структурного перехода Li2 → ГЦК в малых нанокластерах Cu3Au

Ю. Я. Гафнер, С. Л. Гафнер, Л. В. Редель, И. С. Замулин

АННОТАЦИЯ:

Известно, что наночастицы сплава Cu3Au широко используются при катализе самых разных химических реакций, так как экспериментально было определено, что частичное замещение золотом меди во многих случаях приводит к увеличению каталитической активности. Однако поверхностная электронная структура, отвечающая за реакционную способность наночастиц сплава, сильно зависит от атомного упорядочения в них. Следовательно, для теоретического определения каталитических свойств необходимо использовать наиболее реальную структурную модель, соответствующую наночастицам Cu3Au при условии различных внешних воздействий. Исходя из этого, методом молекулярной динамики с использованием модифицированного потенциала сильной связи TB_SMA были исследованы границы термической стабильности исходной L12 фазы в кластерах наносплава Cu3Au размером до 8.0 нм. Показано, что под действием температурного фактора в кластерах Cu3Au возможен структурный переход L12 → ГЦК. Сделан вывод, что в отличие от макроскопических тел в наночастицах данный переход занимает широкую температурную область.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

наносплав, структура, компьютерное моделирование, сильная связь.