Молекулярная структура и динамика жидких кристаллов по данным метода многомасштабного моделирования молекулярной динамики Неверов, Владимир Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Жидкие кристаллы в настоящее время широко применяются в промышленности, медицине, химии, биологии. Их изучение чрезвычайно важно, так как, благодаря сочетанию уникальных свойств — текучести и анизотропии — они играют значительную роль и в технологии производства информационных дисплеев, и в медицинских приборах, и в клетках живых организмов. Изучение структуры и свойств жидких кристаллов проводятся как экспериментальными методами (ЯМР, рентгеноструктурный анализ, нейтронное рассеяние), так и посредством компьютерного моделирования. Метод моделирования классической молекулярной динамики (МД) является одним из важнейших инструментов теоретического изучения структуры и динамики вещества. Он играет важную роль при интерпретации экспериментальных данных о детальной структуре молекул и комплексов.

Одним из главных ограничений применимости метода МД является недостаточная вычислительная мощность современных компьютеров. Количество вещества, которое практически можно исследовать с помощью МД, много меньше самых маленьких образцов, обычно изучаемых с помощью экспериментальных физических методов. Например, в 1 мм³ жидкого кристала п-метоксибензилиден-п'-н-бутиланилин (МББА) содержится около 4 x 10¹⁹ атомов, в то время как типичные на сегодняшний день размеры исследуемых методом МД систем составляют 10⁵ атомов. Что касается интервалов времени, на протяжении которых изучается поведение модельных систем, то характеристическое время изменения направления преимущественной ориентации длинных осей молекул жидкого кристалла (директора) имеет порядок микросекунд, в то время как время эволюции системы в типичном компьютерном эксперименте на сегодняшний день — десятки наносекунд.

В последние годы появилось большое количество работ, посвящённых разработке "крупнозернистых" моделей, в которых группы атомов представляются в виде единых центров взаимодействия — "суператомов". Однако, они или относятся к какому-то довольно узкому классу веществ, или накладывают излишние ограничения на условия исследования, или даже приводят к относительно недостоверным результатам. Поэтому актуальной является проблема разработки методов и моделей, позволяющих сократить количество вычислений, необходимых для расчётов, при одновременном сохранении достоверности получаемых результатов. Такие методы и модели расширяют область применимости компьютерного моделирования МД как в смысле временных, так и пространственных масштабов, позволяя изучать сложные вещества и медленные процессы.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы была разработка подхода, который позволил бы за приемлемое время проводить расчёты свойств больших систем, находящихся в жидкокристаллическом состоянии, на длительных временных интервалах и обеспечивал бы при этом высокую степень достоверности получаемых данных. Для достижения этой цели было необходимо решить ряд частных задач:

разработать метод компьютерного моделирования молекулярной динамики —

многомасштабное моделирование, который позволил бы представлять исследуемую систему в различных моделях в рамках одного непрерывного процесса моделирования;

разработать потенциал взаимодействия между "суператомами", который позволил бы приближённо воспроизводить форму исключённого объёма (поверхность Ван-дер- Ваальса) молекулярных фрагментов с помощью меньшего числа взаимодействующих центров;

разработать "крупнозернистую" модель бензольного кольца с заместителями в пара- положении, воспроизводящую форму исключённого объёма, характерную для модели "объединённых атомов'', которая позволила бы существенно уменьшить количество вычислений, необходимых для моделирования эволюции систем, содержащих такие бензольные кольца;

произвести проверку метода многомасштабного моделирования в сочетании с использованием нового потенциала и новой "крупнозернистой" модели бензольного кольца на примере ряда жидкокристаллических систем, в том числе, состоящих из большого (порядка 100 тысяч) количества атомов.

Научная новизна работы

В диссертации предложен новый потенциал взаимодействия, позволяющий с хорошим приближёнием воспроизводить форму исключённого объёма молекулярных фрагментов, характерную для детализированных моделей, при меньшем числе взаимодействующих центров. Для этого потенциала разработана новая "крупнозернистая" модель бензольного кольца с заместителями в пара-положении, состоящая из двух взаимодействующих центров и несущая информацию об ориентации кольца. Модель параметризована на оптимальное воспроизведения формы исключённого объёма, характерное для потенциала "объединённых атомов". С помощью данной модели методом многомасштабного моделирования проведено исследование трёх жидких кристаллов, один из которых — п-н-бутилоксибензилиден-п'- толуидин (БОБТ) — ранее не изучался методом молекулярной динамики.

На основании сравнения полученных результатов с данными расчётов с использованием широко применяемых в настоящее время в классической МД моделей, показана возможность применения разработанных метода и модели для исследования жидких кристаллов при высокой степени достоверности получаемых данных. Кроме того, указан путь создания аналогичных "крупнозернистых" моделей для различных молекул и молекулярных фрагментов (например, бензол, циклогексан или оксиалифатические цепи).

Практическая ценность работы

разработан и опробован метод, позволяющий ускорять моделирование молекулярной динамики за счёт последовательного применения нескольких моделей различной детализации в одном расчёте;

проведено моделирование локальной структуры и динамических свойств мезогена БОБТ;

обоснована перспективность использования нового потенциала взаимодействия между "суператомами", позволяющего создавать "крупнозернистые" модели молекул или молекулярных фрагментов, состоящие из меньшего числа атомов.

На защиту выносятся

метод многомасштабного моделирования молекулярной динамики, в котором последовательно применяется несколько моделей молекулы с разной степенью

детализации в рамках одного цикла моделирования, что позволяет значительно сократить время моделирования в системах, состоящих из большого количества атомов, при сохранении высокой достоверности в описании свойств исследуемого вещества;

потенциал взаимодействия между "суператомами", позволяющий приближённо воспроизводить форму исключённого объёма (поверхность Ван-дер-Ваальса) молекулы или молекулярного фрагмента, характерную для детализированной модели, с помощью меньшего числа атомов за счёт введения дополнительного параметра Д в классическое выражение для энергии Леннард-Джонса, характеризующего взаимодействие каждой пары атомов отдельно;

"крупнозернистая" двухточечная модель бензольного кольца, которая позволяет эффективно использовать предложенный метод многомасштабного моделирования бензолосодержащих веществ, в том числе, жидких кристаллов;

результаты исследования молекулярной структуры и динамики жидких кристаллов МББА, БОБТ и 5ЦБ разработанным методом многомасштабного моделирования с применением новой модели бензольного кольца: данные об ориентационном порядке жидкого кристалла, конформациях алифатических цепей, функциях радиального распределения.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой

литературы из 164 наименований. Работа изложена на 171 странице, включая 35 рисунков и

22 таблицы.

Апробация работы

Результаты были представлены и обсуждались на следующих конференциях:

1. 1. IV школа-семинар молодых учёных "Квантово-химические расчёты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул". 20-22 мая 2009 года, Иваново, Россия

   2. Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter. 6th Meeting "NMR in Heterogeneous Systems". 29 June — 3 July 2009, Saint-Petersburg, Russia

   3. VII Международная научная конференция "Лиотропные жидкие кристаллы и наноматериалы совместно с симпозиумом "Успехи в изучении термотропных жидких кристаллов" (V Чистяковские чтения)''. 22-25 сентября 2009 года, Иваново, Россия

   4. Всероссийская суперкомпьютерная конференция "Научный сервис в сети Интернет: масштабируемость, параллельность, эффективность". 21-26 сентября 2009 года, Новороссийск, Россия

   5. Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter. 8th Meeting "NMR in Life Sciences". 27 June — 1 July 2011, Saint-Petersburg, Russia

   По теме диссертации опубликовано четыре статьи.

   Похожие диссертации на Молекулярная структура и динамика жидких кристаллов по данным метода многомасштабного моделирования молекулярной динамики

   

   Структура и динамика кристаллов с молекулярными ионами аммония и пиридина в широком диапазоне давлений и температурКичанов Сергей Евгеньевич

   

   Динамика формирования мезоскопической структуры кристаллаШибков Александр Анатольевич

   

   Структура и динамика решетки кристалла LaMnO3Попов Сергей Эдуардович

   Структура и динамика решетки кристаллов типа флюорита и слоистого перовскитаЗахаров, Антон Юрьевич

   Статика и динамика доменных структур в фотомагнитных кристаллах иттрий-железистого гранатаВладимиров, Игорь Вячеславович

   Образование и пространственно-временная динамика структур в нематическом жидком кристалле при воздействии электрического поляБатыршин, Эдуард Сафаргалиевич

   

   Структура и динамика высокоспиновых парамагнитных дефектов в диэлектрических кристаллахВаженин Владимир Александрович

   

   Моделирование методом молекулярной динамики процессов структурообразования нанокластеров никеля и меди в рамках потенциала сильной связиГафнер, Светлана Леонидовна

   Моделирование методом молекулярной динамики синтеза нанокластеров меди из газовой средыЧепкасов, Илья Васильевич

   

   Моделирование углеродных наноструктур и их свойств методом молекулярной динамикиБелова Елена Эдуардовна