19.Методы учёта энергообмена с внешней средой в молекулярной динамике

В реальных экспериментах рассматриваемые молекулы обычно находятся в растворах и активно взаимодействуют с молекулами растворителя. Температура системы поддерживается за счет энергообмена с внешней средой. Детальный учет взаимодействия молекулы с внешней средой часто невозможен. Для учета эффектов энергообмена с внешней средой обычно используют специальные алгоритмы - термостаты.

Использование термостата особенно важно на этапе релаксации системы. В случае установившегося термодинамического равновесия температура термостата и средняя температура молекулярной системы должны совпадать. Энергии подсистем обычно много меньше энергии термостата - таково условие практического равновесия. При изучении молекулярной динамики обычно фиксируют температуру термостата. Температура самой молекулярной системы может при этом меняться вследствие различных причин. Наиболее часто используют две модели термостатов:

•коллизионный термостат;

•термостат Берендсена.

Коллизионный термостат основан на столкновительной динамике. В нем вводится среда виртуальных частиц, взаимодействующих с частицами изучаемой молекулярной системы. Столкновения происходят по закону упругих шаров. Варьируя массу виртуальных частиц и частоту столкновений с атомами системы, добиваются наилучшего совпадения с экспериментальными данными.

Термостат Берендсена использует в уравнениях движения знакопеременное нелинейное трение. Взаимодействие с термостатом моделируется дополнительной силой трения:

Это самый простой путь для модельного описания контакта с тепловой ванной при температуре Т. Однако на деле этот способ физически некорректен, поскольку кинетическая энергия - величина флуктуирующая. Поэтому условие равного распределения энергии нужно применять с осторожностью.

20. Достоинства и недостатки молекулярной динамики

Методы молекулярной динамики позволяют решать уравнения движения частиц. С их помощью можно рассчитать эволюцию системы многих частиц в течение определенного числа шагов. При этом на каждом шаге доступна полная информация о системе (положения частиц, их скорости, кинетическая и потенциальная энергии и т. п.). Методы МД-моделирования являются мощными способами расчета моделей наноразмерных материалов, подходят для исследования статических и динамических свойств наноструктур. По своей природе это методика расчета, подходящая для предсказания поведения наносистем, состоящих из конечного числа частиц.

Методы молекулярной механики и молекулярной динамики основаны на классической физике систем многих частиц и не способны описывать квантовые эффекты. Более того, для получения численных результатов они требуют детального знания взаимодействий между частицами, поэтому в каждом отдельном случае необходимо использование разных моделей. Для получения реалистичных результатов в большинстве случаев требуется дополнительная подгонка указанных потенциалов к экспериментальным данным. Таким образом, неоднозначность критериев моделирования, используемых в молекулярной механике и молекулярной динамике, ограничивает широкое применение этих методов. В то же время они позволяют рассматривать большие наносистемы, содержащие до 10 атомов.