Ускорение расчетов молекулярной динамики путем введения

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: Sergey.Lukin@gmail.com
21