Список условных сокращений

РЕФЕРАТ

 

 

Курсовая работа содержит 38 страниц, 2 раздела, 2 таблицы, 9 рисунков, 3 формулы, 30 литературных источников, 3 приложения.

Объект исследования: модели воды SPC, TIP3P и TIP4P/2005.

Цель работы: провести валидацию моделей воды в зависимости от ансамбля по следующим структурным свойствам: функция радиального распределения (ФРР) и текущее координационное число (КЧ).

Методы исследования и аппаратура: молекулярно-динамическое моделирование (программный комплекс MDNAES).

Результаты и их новизна: были получены значения ФРР и КЧ для различных моделей воды, сделаны выводы относительно влияния выбора ансамбля на структурные свойства. Результаты, полученные в ходе исследования, хорошо согласуются с экспериментальными данными и могут быть полезными для дальнейшего усовершенствования характеристик моделей SPC, TIP3P и TIP4P/2005, а также стать основой для создания новых моделей воды, с улучшенными структурными характеристиками.

 

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, MDNAES, ВОДА, АНСАМБЛЬ, СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА, ФУНКЦИЯ РАДИАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО.

 

 

РЕФЕРАТ

Курсова робота містить 38 сторінок, 2 розділу, 2 таблиці, 9 малюнків, 3 формули, 30 літературних джерел, 3 додатка.

Об'єкт дослідження: моделі води SPC, TIP3P і TIP4P / 2005.

Мета роботи: провести валідацію моделей води в залежності від ансамблю за наступними структурним властивостям: функція радіального розподілу (ФРР) і поточне координаційне число (КЧ).

Методи дослідження та апаратура: молекулярно-динамічне моделювання (програмний комплекс MDNAES).

Результати та їх новизна: були отримані значення ФРР і КЧ для різних моделей води, зроблені висновки щодо впливу вибору ансамблю на структурні властивості. Результати, отримані під час дослідження, добре узгоджуються з експериментальними даними і можуть бути використані для подальшого удосконалення характеристик моделей SPC, TIP3P і TIP4P / 2005, а також стати основою для створення нових моделей води, з поліпшеними структурними характеристиками.

 

КЛЮЧОВІ СЛОВА: МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМІЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ, MDNAES, ВОДА, АНСАМБЛЬ, СТРУКТУРНІ ВЛАСТИВОСТІ, ФУНКЦІЯ РАДІАЛЬНОГО РОЗПОДІЛУ, КООРДИНАЦІЙНЕ ЧИСЛО.

ABSTRACT

Course work consists of 38 pages, 2 sections, 2 tables, 9 figures, 3 formulas, 30 references, 3 аpplications.

The object of study: water model SPC, TIP3P and TIP4P/2005.

Aim of the course work: to validate models of water depending on the ensemble of the following structural characteristics: the radial distribution function (RDF) and the current coordination number (CN).

The method of investigation: molecular dynamics simulation (software package MDNAES).

The results and their novelty: RDF and CN values ​​were obtained for the different water models, conclusions were drawn regarding the impact of the choice of the ensemble on the structural properties. The results of the study are in good agreement with the experimental data and may be useful for the further improvement of the characteristics of the SPC models, and the TIP3P TIP4P/2005 as well as a basis for the creation of new models of water, with improved structural characteristics.

 

KEYWORDS: MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION, MDNAES, WATER, ENSEMBLE, STRUCTURAL PROPERTIES, RADIAL DISTRIBUTION FUNCTION, COORDINATION NUMBER.

 

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ……...……………………………..….…….6

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………...…... 7

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ………………………………........................................... 9

1.1 Физико-химические свойства воды …………………………………………......9

1.1.1 Водородная связь ………………………………………………………..... 9

1.1.2 Температура плавления …………..……………..………………………..10

1.1.3 Аномалия плотности ….....…………..…………….……………………...11

1.2 Молекулярно-динамическое моделирование…………………...………….….12

1.2.1 Модели молекул и ионов……………………...…………………............12

1.2.2 Ансамбли в МД моделировании………………………………………....13

1.2.3 Описание классических моделей воды…………………………………..14

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ…………………………………………………20

2.1 Этапы проведения МД моделирования…………………..…. ………………...20

2.2 Методика МД моделирования ……………………………………………….…20

2.3 Расчет структурных свойств …………………………………………………...21

2.4 Результаты МД моделирования………………………………………………...22

2.4.1 Уравновешивание системы……………………………………………….22

2.3.2 Построение графических зависимостей и расчет ФРР и КЧ…………...24

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА ПК……………………………….26

ВЫВОДЫ …………………………………………………………………………........27

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………..28

ПРИЛОЖЕНИЕ А ……………………………………………………………...……....31

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ……………………………………………………………...……....33

ПРИЛОЖЕНИЕ В ……………………………………………………………...……....38

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

МД – молекулярная динамика,

MDNAES - Molecular Dynamics of Non Aqueous Electrolyte Solutions,

ФРР – функция радиального распределения,

КЧ – координационное число,

SPC – simple point charge model,

TIP3P – three point transferable intermolecular potentials,

TIP4P/2005 – four point transferable intermolecular potentials,

NVT – канонический ансамбль,

NРT – изобарно-изотермический ансамбль.

ВВЕДЕНИЕ

Вода является основой для существования всех живых организмов и одним из наиболее распространенных соединений на Земле. В химии вода занимает особо место, т.к. это самый универсальный растворитель, его необычные свойства происходят из его малой молекулярной массы и способности молекул сформировывать пространственную сеть из водородных связей. Хоть вода является простой молекулой с химической точки зрения (т. е. состоит только из двух атомов Гидрогена и атома Оксигена), ее поведение является довольно сложным. Вода является предметом многочисленных исследований со времен становления науки. Исследование ее свойств является важной задачей для практического применения.

В наши дни, в связи с очень интенсивным развитием компьютерных технологий и вычислительной техники, одной из наиболее интенсивно развивающихся областей стало молекулярное моделирование. Еще со времен становления вычислительной химии было предложено большое количество различных моделей, в том числе жестких и нежестких, а также поляризационных и неполяризационных. Впервые в качестве объекта молекулярного моделирования вода была использована в 1971 году в работах Рахмана и Стилленджера [1]. В последующем исследование таковой стало одной из самых популярных задач численных экспериментов. После более чем тридцати лет исследований Бертран Гийо провел обширный обзор производительности различных моделей воды, который опубликовал в статье [2]. Несмотря на все усилия, кластеры воды и конденсированные фазы до сих пор изучены не в полной мере. В 2005 году журнал «Science» включил проблему структуры жидкой воды в список 125 наиболее важных вопросов современной науки [3].

Актуальность данной работы состоит в том, что расчет структурных свойств воды методом МД моделирования не уступает по значимости, например, термодинамическим. Поэтому для того, чтобы получать адекватные значения и большую сходимость результатов необходимо правильно выбирать не только модель, но и условия расчета для каждой системы.

В настоящей работе приводятся результаты изучения структурных свойств воды в разных ансамблях – каноническом (NVT) и изобарно-изотермическом (NРT) для трех- и четырехточечного модельных потенциалов (модели SPC, TIP3P, TIP4P/2005).

Целью данной курсовой работы является МД моделирование 512 молекул воды с помощью имеющего программного комплекса MDNAES в двух ансамблях (NPT, NVT), из полученных данных рассчитать структурные величины - функцию радиального распределения (ФРР) и текущее координационное число (КЧ), сравнить результаты с экспериментом.

 

 

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР